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Research Collection Doctoral Thesis Basizität und Absorptionsspektrum benzologer Tropylium- Kationen Author(s): Naville, Gustave Publication Date: 1960 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000092317 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection . For more information please consult the Terms of use . ETH Library

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Research Collection

Doctoral Thesis

Basizität und Absorptionsspektrum benzologer Tropylium-Kationen

Author(s): Naville, Gustave

Publication Date: 1960

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000092317

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Prom. Nr. 2997

Basizität und Absorptionsspektrum

benzologer Tropylium-Kationen

Von der

Eidgenössischen Technischen

Hochschule in Zürich

zur Erlangung

der Würde eines Doktors der Naturwissenschaften

genehmigte

PROMOTIONSARBEIT

vorgelegt von

GUSTAVE NAVILLE

dipl. Naturwissenschafter E. T. H.

von Genf

Referent Herr Prof. Dr. E. Heilbronner

Koneferent Herr Prof. Dr. V Prelog

Juris-Verlag Zurich

i960

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Gewidmet

in Liebe meiner Frau,

dem Andenken meiner Mutter

und in Dankbarkeit

meiner Grossmutter

und meinem Vater

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Meinen verehrten Lehrern,

Herrn Prof. Dr. L.Ruzicka

Herrn Prof. Dr. V . Pr elog,

bin ich für die Unterstützung dieser Arbeit zu grossem Dank verpflichtet.

Herrn Prof. Dr. E. Heilbrunner

danke ich besonders für sein menschliches Verständnis und die wertvollen Ratschläge,

die er mir im Laufe dieser Arbeit zuteil werden liess.

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INHALTSVERZEICHNIS

1 Allgemeiner Teil 9

1.1 Einleitung 9

1.2 Aromatische Eigenschaften der Tropylium-Kationen 11

1.3 Basizität 12

1.4 UV-Absorptions-Spektren 16

2 Experimentelle Resultate 20

2.1 Tropylium-Kation (I) 20

2.2 Benztropylium-Kation (H) 20

2.3 l,2;3,4-Dibenztropylium-Kation (IH) 22

2.4 1,2;4,5-Dibenztropylium-Kation (IV) 24

2.5 (l',2'-Naphto-)tropylium-Kation (V) 25

2.6 (2',3'-Naphto-)tropylium-Kation (VI) 26

2.7 Tribenztropylium-Kation (VII) 27

2.8 Tabellen 28

3 MO - Berechnungen 40

3.1 Eigenwerte und Koeffizienten der Kationen-Modelle 40

3.2 Störungsrechnung 41

3.3 Ladungsdichten, Bindungsordnungen, freie Valenzen 42

3.4 Eigenwerte der Pseudobasen-Modelle 42

3.5 Delokalisierungs-Energien 43

3.6 Atomlokalisierungs-Energien und Ladungsdichten 43

3.7 Uebergangs-Energien und Uebergangs-Integrale 44

4 Diskussion 61

4.1 Basizität 61

4.1.1 Korrelation zwischen den "pK"-Werten und den

optimalen Atomlokalisierungs-Energien 61

4.1.2 Versuch einer Korrelation der "pK"-Werte mit

der Zahl der unangeregten Grenzstrukturen der

Kationen und ihrer konjugaten Pseudobasen 65

4.2 UV-Absorptions-Spektren 67

4.2.1 Korrelation zwischen den Wellenzahlen und den

Uebergangsenergien für die jeweils langwelligsteBande 67

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4.2.2 Korrelation zwischen den Wellenzahlen und den

Uebergangsenergien für alle Banden 69

4.2.3 Korrelation der experimentell bestimmten mit

den berechneten theoretischen Oszillatoren¬

stärken 76

4.2.4 Bezeichnung der angeregten Zustände 78

4.3 IR-Banden der Tropone 80

Präparativer Teil 81

5.1 Darstellung des (2', 3'-Naphto-)4,5-tropons 81

5.2 Darstellung des (2', 3'-Naphto-)tropylium-Kations 83

5.3 Darstellung des 1, 2; 3,4-Dibenztropylium-Kations 86

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I ALLGEMEINER TEIL

1.1 Einleitung

Es steht heute fest, dass die Anwendung einer auch stark vereinfachten LCAO-

MO-Theorie ', insbesondere auf Verbindungen mit ausgedehnten 1T-Elektronensy¬

stemen (an denen vor allem Kohlenstoff - 2pz - atomic Orbitals [AO] teilhaben) bei der

Systematisierung von experimentellen Resultaten der qualitativen Betrachtungsweise2)

überlegen ist '. Dass die letztere dennoch in bestimmten Fällen zum Ziele führen

kann, rührt zum Teil davon her, dass in der Klasse der sogenannten alternierenden3)

ungesättigten Verbindungen ', insbesondere derjenigen der so zahlreichen benzenoi-

den aromatischen Verbindungen, Verhältnisse herrschen, die es erlauben, die physi¬

kalischen und chemischen Eigenschaften dieser Klasse von Verbindungen auf einfache,

mittels Resonanz-Formulierungen leicht ableitbare Regelmässigkeiten zurückzuführen.

Erstreckt sich nämlich das T -Elektronensystem ausschliesslich über geradzahlige

Ringe und/oder über Ketten von 2p - AO's, so lässt sich zeigen, dass dann in den

Wellenfunktionen und Eigenwerten der T -Elektronen bestimmte, durch kombinato¬

rische Symmetrien bedingte Gesetzmässigkeiten auftreten, auf die sich die Verwend-

4)barkeit der Symbolik der Resonanztheorie zurückführen lässt . Das Schreiben und Ab¬

zählen von Grenzstrukturen stellt dann letztlich ein graphisches Hilfsmittel dar, um

für diese alternierenden Verbindungen die aus den semiquantitativen Methoden be¬

rechenbaren Grössen näherungsweise abzuleiten.

Fehlen nun die Voraussetzungen für das Vorliegen dieser inneren Symmetrien,

indem sich das X -Elektronensystem in den nicht alternierenden ungesättigten Ver¬

bindungen (wie z.B. den Fulvenen, Azulenen, Tropylium-Kationen ') auch über unge¬

radzahlige Ringe erstreckt, so fällt damit auch die Ableitbarkeit physikalisch-che¬

mischer Eigenschaften auf dem Weg über Resonanz-Formulierungen dahin. Hingegen

stehen der Anwendung der LCAO-MO-Theorie keinerlei Schwierigkeiten im Wege, da

sich diese Theorie ohne irgendwelche zusätzliche Annahmen direkt auch auf solche

nicht alternierende Systeme übertragen lässt '. Dass sie eine befriedigende Rationali¬

sierung von beobachteten Resultaten (in unserm speziellen Fall von Basizitäten und

1) a) E. Hückel, Grundzüge der Theorie aromatischer und ungesättigter Verbindungen,Berlin 1938.

b) C. A. Coulson & H .C

. Longuet-Higgins , Proc.Roy.Soc. A 191, 39(1947).2) M. J. S.Dewar, J.Amer.ehem.Soc. 74, 3341, 3345, 3350, 3353, 335TÏ1952).3) C. A. Coulson & G. S

. Rushbr ook"ë, Proc. Cambridge Phyl.Soc. 36, 193 (1940).4) H.C. Longuet-Higgins, J.chem. Phys. IS, 265, 275, 283(1950).5) Unter diesem Sammelnamen sollen alle Kationen zusammengefasst werden, die einen

aromatischen Siebenring enthalten, d.h. alle Derivate des Tropylium-Kations I (vgl.Fig. 1).

6) Mme.A .Pullman & B. Pullman, Théorie électronique de la Chimie organique,

Paris 1952.

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UV-Absorptions-Spektren) erlaubt, soll am Beispiel des Tropylium-Kations I und

seiner Benzologen II bis VII (Fig. 1) gezeigt -werden.

Fig. 1 Das Tropylium-Kation I und seine Benzologen II bis VII.Die in dieser Ar¬

beit verwendete Nummerierung der C-Atome ist den Bedürfnissen der theore¬

tischen Behandlung der betreffenden LCAO-MO-Modelle angepasst42). Sie

entspricht nicht der üblichen Nummerierung.g\

I Tropylium-Kation'

10%

II Benztropylium-Kation'

HI 1,2 ; 3, 4-Dibenztropylium-Kation11,W 1,2; 4,5-Dibenztropylium-Kation1 '

V (1 ', 2'-Naphto-)tropylium-KationVI (2',3'-Naphto-)tropylium-KationVII Tribenztropylium-Kationl2)

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1.2 Aromatische Eigenschaften der Tropylium-Kationen

13)M.J.S.Dewar ' postulierte erstmals zur Erklärung der Eigenschaften ge¬

wisser Naturstoffe (wie Colchicin, Stipitatsäure, Puberulsäure) ein neues aromatisches

tr -Elektronensystem, nämlich den Tropolon-Ring, wie er im Grundkörper, dem Tro-

polon VIII vorliegt.

Die Erklärung der unerwartet hohen Stabilität dieses Systems wurde anfänglich von

M.J.S.Dewar in der Annahme einer speziellen Art der Mesomerie zwischen den

Grenzformen VHT und VIII" gesucht (Schema (A)). Diese Erklärungwürde voraussetzen,

dass sich das Wasserstoffatom in der Mitte zwischen den beiden Sauerstoffatomen be¬

findet.

(A)

Die Darstellung des Tropons Ib ', gleichzeitig durch H.J.Dauben A' und

durch W. v. E . Doering ', zeigte dann aber, dass die bemerkenswerte Stabilität

7) Mit dieser Schreibweise soll keinerlei Aussage über die Art bzw. das Ausmassder Konjugation in den Kationen I bis VII verbunden sein 8). Die Konjugationsver¬hältnisse in den einzelnen Kationen drücken sich vielmehr in der ungleichmässigenVerteilung der Ladung und den stark variierenden BindungsOrdnungen (vgl. Fig. 13bis 19) aus. Ausserdem wird die Konjugation durch sterische Faktoren (vgl. Ab¬

schnitt 4.1.1) beeinflusst.

8) betr. Schreibweise von aromatischen Verbindungen vgl: W. Baker, Proc.Chem.

Soc. 1959, 75.

9) W. v. E. Doering & L.H.Knox, J.Amer.chem.Soc. 76, 3203 (1954).10) a) H. H. Rennhard, E .

Heilbr onner & A.E schenmoser

,Chem. &

Ind. 1955, 415.

b) H. HTÎTënnhard, G.diModica, W.Simon, E.Heilbr onner &

A. Eschenmoser, Helv. 40, 957(1957).11) G. Berti, Gazz.chim.ital. 877293 (1957), J. org. Chem. 22, 230 (1957).12) M.Stiles & A.J.Libbey jr., J.org.Chem. 22, 1243~(l957).13)M.J.S.Dewar, Nature 155, 50, 141, 479(1945).14) In dieser Arbeit wurden einheitlich die den Kationen I bis VII entsprechenden kon-

jugaten Pseudobasen, nämlich die unsubstituierten Tropole, mit Ia bis Vila und

ebenso die entsprechenden unsubstituierten Tropone mit Ib bis VHb bezeichnet.

Die Stellung der Alkohol- bzw. Ketogruppe in isomeren Pseudobasen bzw. Troponenwurde durch geklammerte Nummer (entsprechend der Nummerierung in Fig. 1) ge¬kennzeichnet (z.B. Va (13)), oder aber nach der chemischen Nomenklatur (z.B. Va(2,3)).

15a) H. J.Dauben & H.J.Ringold, J.Amer.chem.Soc. 73, 876 (1851).15b) W. v. E . Doering & F.L.Detert, J.Amer.chem.Soc. 73, 876 (1951).

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der Tropolone nicht an die Gegenwart der zwei die Mesomerie (A) ermöglichenden

Sauerstoffatome gebunden ist. Das Tropon Ib zeigt nämlich eindeutig aromatische

Eigenschaften. W . v . E .Doer ing formulierte als Erklärung die Mesomerie

Ib—-»Ib' (Schema (B)).

(B)

Die Formel Ib' soll ausdrücken, dass als Grundkörper aller dieser Verbindungen das

Cycloheptatrienylium-Kation (Tropylium-Kation) anzusehen ist, dessen grosse Stabi¬la)

lität bereits 12 Jahre vorher von E. Hückel

' auf Grund von LCAO-MO-Berechnun-

gen vorausgesagt worden war [(2 + 4n)-tr -Elektronen-Regel]. Diese Voraussage wurde9)

durch die Darstellung des Tropyliumbromids durch W.v.E.Doering'glänzend

bestätigt.

Seither sind verschiedene benzologe Tropylium-Kationen (in der Folge kurz als

Tropylium-Kationen bezeichnet), vor allem das Benztropylium-Kation und die ihm ent¬

sprechenden Tropone, sowie deren Derivate, Gegenstand einer Reihe von Arbeiten ge-

worden16*17'.

1.3 Basizität

Die Tropylium-Kationen sind Lewis-Säuren und stehen in sauren Medien mit

ihren konjugatenPseudobasen, denTropolen, in einem Gleichgewicht, wie es in Fig. 2

für die verschiedenen Kationen dargestellt ist. Dieses Gleichgewicht soll am Beispiel

des Kations I besprochen werden.

Seine Gleichgewichtskonstante ist in Formel (1) definiert. Die Grössen a, bedeu¬

ten wie üblich die Aktivitäten der Partner i.

aIa'

aHaO®

K (I) =

g(1)

aI*

aH2Q

16) vgl. die Zusammenfassung: W . v . E .Doer ing & H.Krauch, Angew.Chem.

68, 661 (1956).17)äTE. Heilbrunner & A. Eschenmoser, Helv. 36, 1101 (1953).

b) A. Eschenmoser & H. H.Rennhard, Helv. W, 290 (1953).

c) Doris Meuche, W.Simon & E.Heilbrunner

,Helv. 42, 452 (1959)

und vorangehende Arbeiten: Untersuchungen in der Benztropylium-Reihe.

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/ +2H20 hqh+h3o+ n+2H3p*rIIa(0)^

%

W*W

+ H30+

m*2H20

Ilia OH

Ha (2) HOH

IV*2H20 ^

Fig. 2 Die Gleichgewichte zwischen den Kationen I bis VII und den stabilsten ihnen

entsprechenden Pseudobasen Ia bis Vila. Im Gegensatz zu der üblichen No¬

menklatur der Tropole in den Reaktionsschemen (z.B. II a (4,5)) werden

bei der Diskussion der verschiedenen möglichen Pseudobasen, die mit einem

Kation im Gleichgewicht stehen, diese durch eine einzige Ziffer in Klammern

voneinander unterschieden. Diese bezeichnet die Stellung, an der die OH e-

Gruppe zur Bildung der betr. Pseudobase an das Kation angelagert wird.

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Im Gegensatz zu Säure-Basen-Gleichgewichten, an denen B rjfns te d- Säuren teilha¬

ben, liegt hier gleich wie bei den Triaryl-carbinolen und ihnen verwandten Verbindungen

kein reiner Protonentransfer vom Typus AH + B =A + BH vor, sondern es

wird beim Uebergang der Pseudobase la in die Le wis-Säure I zusätzlich eine Mole¬

kel Wasser gebildet. Demzufolge unterscheidet sich die der Gleichgewichtskonstanten

K(I) entsprechende Dissoziationskonstante von den üblichen, für Br^nsted-Säuren

definierten, Dissoziationskonstanten um den Betrag log aH q,d.h. um eine Grösse,

die von der Aktivität des Wassers im betreffenden Lösungsmittelsystem bestimmt wird.

Die Unkenntnis der letztgenannten Grösse bringt es mit sich, dass man entspre¬chend einem Vorschlag von F.H.Westheimer & M

.S

.Kar asch^ö) die aus -.^

K(I) abgeleiteten Dissoziationskonstanten auf eine der Ham m ett'sehen H0-Funktion'

nachgebildete Aziditäts-Skala bezieht, die mit Hilfe von Pseudobasen des Triphenyl-carbinol-Typus definiert wird. Derartige, mit J0 bezeichnete Skalen wurden von

A.M. Löwen, M. A. Mur ray & G. William s2öa), V. Gold & B.W.V.Ha-

w e s 20b)^sowie vor allem von N.C.Deno, J.J.Jaruzelski & A.Schries¬

heim 21) aufgestellt. Ein Vergleich der Ho-Funktion mit der J0-Funktion für das Sy¬stem Schwefelsäure/Wasser zeigt, dass im Bereich 20% Schwefelsäure bis 90% Schwe¬

felsäure beide Grössen entsprechend der Formel (2) linear voneinander abhängen.

HQ = -0,110 + 0,4864 • JQ (2)

- 8,3<Ho<-l,0- 16,8<Jo<- 1,9

Die Formel (2) stützt sich auf die acht Wertepaare, die den äquidistanten Konzentratio¬

nen 20, 30... 90% Schwefelsäure entsprechen^). Die Standardabweichung für die

nach (2) berechneten H0-Werte beträgt s = + 0, 042. Auf die Genauigkeit der in dieser

Arbeit ohnehin nur auf die erste Stelle nach dem Komma angegeben experimentellen"pK"-Werte hat demzufolge die Streuung um die Regression bei der Umrechnung von

J0-Werten in H0-Werte keinen Einfluss.

Mit Hilfe der einfachen LCAO-MO-Theorie (vgl. Kap. 3) sollen nun die experi¬

mentell bestimmten Dissoziationskonctanten der Pseudobasen theoretisch gedeutet wer¬

den. Obschon die experimentellen Werte sich zum Teil nur ungenau bestimmen lassen,

kann dennoch eine gute Korrelation erwartet werden, da diese sich auf einen sehr weit

gesteckten Bereich von "pK"-Differenzen stützt (- 7,0< "pK" < + 5,0), so dass auch

grössere absolute Fehler in diesen Differenzen nicht ins Gewicht fallen.

Die Kationen I bis VII haben die Eigenschaften gemeinsam, dass in ihnen sämt-

18) F. H. Westheimer & M.S.Karasch, J.Amer.ehem.Soc. 68, 1871(1946).19) L. P. Hammett, Physical Organic Chemistry, New York 194ÖT"Seite 251.

20a) A. M. Löwen, M.A.Murray & G.Williams, J. ehem. Soc. 1950, 3318

A.M.Murray & G.Williams, J. ehem. Soc. 1950 3322

20b)V.Gold & B. M. V. Hawes, J.chem.Soc. 195lT"2TÖ2.21)N.C.Deno, J.J.Jaruzelski & A.Schriesheim, J. Amer. ehem. Soc.

22, 3044 (1955).22) Die hier verwendeten Werte wurden der folgenden zusammenfassenden Arbeit ent¬

nommen: M .A

.Paul & F. A. Long, Chem.Rev. £7, 1 (1957).

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liehe am ir -Elektronensystem beteiligten Kohlenstoff- 2p - AO's ( X ) einen peri¬

pheren Ring bilden, der durch zusätzliche Querbindungen überbrückt ist. Diese Aehn-

lichkeit in der Topologie der Verbindungen ist Voraussetzung für die Vergleichbarkeit

der in dieser Arbeit mittels der LCAO-MO-Theorie in erster Näherung berechneten

Werte, so z.B. hier der Dissoziationskonstanten. Zudem erlaubt uns diese Eigenschaft,

auf einfachem Weg Näherungen für die Eigenwerte der Kationen zu berechnen, indem

man die dem ungestörten Perimeter-Ring zugeordneten Eigenwerte für die durch die

Querbindungen hervorgerufenen Störungen korrigiert.

Weiterhin zeichnen sich die zu behandelnden Gleichgewichte (vgl. Fig. 2) dadurch

aus, dass sich im Prinzip in allen Fällen - mit Ausnahme des Kations I - mehrere

strukturell verschiedene Pseudobasen aus einem Kation bilden können und sowohl mit

ihm als auch untereinander im Gleichgewicht stehen. Die Berechnungen wurden nur für

jene Pseudobasen ausgeführt, die aus theoretischen Gründen als die stabileren der

formell möglichen Isomeren zu betrachten sind. Diese lassen sich z.B. mittels ein¬

facher Resonanzbetrachtungen oder auf Grund der berechneten Elektronendichten q

(vgl. Fig. 13 bis 19) eindeutig bestimmen. Die in Frage kommenden Pseudobasen

sind in Fig. 2 angegeben.

Ein theoretisch ableitbares Mass für die zu erwartende Basizität einer Pseudo¬

base ist jene Atomlokalisierungsenergie, die den Gewinn an Delokalisierungsenergie

beim Uebergang von der Pseudobase zum Kation darstellt. Wären der Entropie-Term

und der Einfluss der Solvatation auf das Gleichgewicht für alle Kationen und ihre kon-

jugaten Pseudobasen die gleichen, so würden sich die relativen Unterschiede in der

Aenderung der freien Enthalpie dieser Gleichgewichte einzig durch die verschiedene

Grösse der Atomlokalisierungsenergien A (vgl. Abschnitt 3.6) unterscheiden, da ja

die Neubildung einer C-O-Bindung und die dazu notwendige Rehybridisierung am ange¬

griffenen Kohlenstoffatom wohl für alle Kationen und unabhängig von der Stellung der

Hydroxyl-Gruppe in der Pseudobase als gleich angenommen werden darf. Aus diesem

Grund ist (unter den genannten Voraussetzungen) eine lineare Korrelation zwischen

den Grössen A für die stabilsten Pseudobasen, die sich aus dem entsprechenden Ka¬

tion bilden können (in der Folge als A• , ,d.h. optimale Lokalisierungsenergie be¬

zeichnet), und den "pK"-Werten der Kationen zu erwarten.

Um einen Vergleich der nach verschiedenen Methoden gemessenen, für die Azi¬

dität der Kationen charakteristischen Grösse, zuermöglichen, wurden die pKn e -

Werte ' der Kationen in, IV und VII, die sich auf eine JQ-Skala beziehen, mittels der

Beziehung (2) auf die entsprechenden H -Werte umgerechnet. Die in der vorliegenden

Arbeit verwendeten "pK"-Werte sind identisch mit den HQ-Werten, bei denen die be¬

treffenden Kationen mit ihren konjugaten Pseudobasen im Verhältnis 1 : 1 im Gleich-

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gewicht stehen. (Betreffend die Tatsache, dass ein Kation unter Umständen mit einem

Gemisch isomerer Pseudobasen im Gleichgewicht stehen kann, vgl. die Diskussion in

einer früheren Arbeit '.) Die "pK"-Werte haben keine definierte thermodynamische

Bedeutung und sind entsprechend mit Gänsefüsschen gekennzeichnet.

Dass Ho eher denn das den Gleichgewichten in Fig. 2 adäquatere J0 als Referenz¬

basis genommen wurde, hat seinen Grund darin, dass J0 für die Medien, in denen das

Gleichgewicht für die Kationen n, V und VI gemessen wurde, nicht bekannt ist, und

dass auch für diese Werte eine Korrelation von J0 und H0 (d.h. eine Ausdehnung der

Formel (2) auf positive Werte von J0 und H0) noch aussteht. Auf diese Weise enthält

die Korrelation zwischen den mit "pK" bezeichneten scheinbaren Aziditätskonstanten

und den entsprechenden Lokalisierungsenergien noch ein Glied, welches implizite die

Aktivität des Wassers berücksichtigt. Dieses Glied scheint aber im wesentlichen eine

lineare Funktion von H0 zu sein, welche die Korrelation zwischen "pK" und A® . nicht

beeinträchtigt.^ '

1.4 UV-Absorptions-Spektren

In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, die beobachteten UV-Absorptions-

Spektren der Kationen I bis VII theoretisch zu deuten, d.h. die einzelnen beobachteten

Banden wenn möglich den Energie-Uebergängen zuzuordnen, die auf Grund des in Kap. 3

verwendeten LCAO-MO-Modells für diese Kationen berechnet wurden.

Als Grundlage für die Klassifikation der Spektren der Tropylium-Kationen sei

hier auf die von J. R . Platt 24)25) vorgeschlagene Nomenklatur eingegangen. Die dort

beschriebene Klassifikationsmethode stützt sich auf das "free electron"-Modell. Wie

die benzenoiden katakondensierten Kohlenwasserstoffe (C4N+2H2JJ+4) besitzen die Tro¬

pylium-Kationen (C4N+3H2VJ.5®) die Eigenschaft, dass (wie bereits im Abschnitt 1.3

erwähnt) kein C-Atom mehr als zwei Ringen angehört und dass somit sämtliche

2pz-AO's an der Peripherie des Konjugationssystems liegen. Diese Eigenschaft erlaubt

es, die Energie-Niveaus eines freien Elektrons, das sich auf einem sozusagen "ein¬

dimensionalen" Ring konstanten Potentials bewegt, als eine erste Näherung für die

Energien der LCAO-MO's zu betrachten. Diese "free electron"-Orbitals werden zur

Definition der Elektronenzustände wie folgt benützt:

23) W. H. Schaeppi, R.W.Schmid, E. Heilbr onner & A. E schenmoser

,

Helv. £8, 1874 (1955).

24) J.R. Platt, J.chem. Phys. 17, 484(1949).25) Betr. andere Arbeiten auf dem~Gebiet der theoretischen Deutung von UV-Absorp¬

tions-Spektren vgl. Literaturangaben in 24) und in:H.B.Klevens & J.R. Platt,J.chem.Phys. 17, 470(1949).

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Niveau q

h t(N*2)=ii

10\ Fig. 3 Termschema der "free elec-

*(NtU-*3tron"-Orbitals eines Ringes.

- N+i -sin Analogie zum Benztropy¬lium-Kation wurden 10 Elek¬

tronen eingezeichnet und die „.»

Nomenklatur nach J.R.Platt '

entsprechend angegeben. (DerMassstab für die Energie ist

. .willkürlich gewählt. )

-ff- f ±N -tZ

e ±(N-f)=±l

d 0

Fig. 3 zeigt das Termschema der "free electron"-Orbitals am Beispiel des Peri¬

meter-Ringes für das Benztropylium-Kation (N = 2), welches 10 Elektronen enthält. Die

Niveaus q sind alle zweifach entartet, mit Ausnahme des untersten mit der Bahnquanten¬zahl q = O. Die Bahnquantenzahl q bestimmt die Anzahl der Knoten der Eigenfunktionentlang dem Perimeter. Den (4N+3) 2pz-AO's der Tropylium-Kationen kommen 2(2N+1)Elektronen zu. Diese 2(2N+1) Elektronen besetzen entsprechend dem Aufbauprinzip alle

Niveaus bis und mit dem N-ten. Die 4 Elektronen auf diesem obersten, besetzten Ni¬

veau werden f-Elektronen genannt und haben die Bahnquantenzahl q = N. Diejenigen auf

dem nächsttieferen Niveau heissen e-Elektronen (q = N-l) und so weiter. Das unterste

unbesetzte Niveau ist das g-Niveau (q = N+l) und entsprechend werden die weiteren,höher gelegenen Niveaus mit h, i... bezeichnet (vgl. Fig. 3). Da bei der Lichtabsorp¬tion im sichtbaren und nahen ultravioletten Gebiet nur die Elektronen der obersten drei

besetzten Niveaus unseres Modells beteiligt sind, ist mit der obigen Bezeichnung eine

gemeinsame Nomenklatur für verschiedene T -Elektronen-Systeme gegeben.

Im Grundzustand ist für alle kata-kondensierten Ringsysteme, die eine abgeschlos¬

sene Elektronenschale haben, der Gesamtdrehimpuls der 1t -Elektronen Q = 0, da jedem

Elektron mit der Bahnquantenzahl q ein solches mit der Bahnquantenzahl -q zugeordnet

ist. Wird nun ein Elektron aus dem Niveau i in das Niveau j promoviert, so setzt sich

der Betrag IQ I der resultierenden Total-Bahnquantenzahl nach dem Uebergang aus den

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- 18 -

Beträgen |q| der Bahnquantenzahlen der entsprechenden Niveaus zusammen, wobei die¬

se addiert bzw. substrahiert werden müssen, je nachdem ob das Elektron beim Uebergang

seinen Umlaufssinn beibehält bzw. ändert. Es ist leicht einzusehen, dass als Q-Werte

nur die folgenden in Frage kommen können, wobei die entsprechenden Zustände mit

Grossbuchstaben bezeichnet werden:

Q = 0 12... 2N 2N+1 2N+2 ...

Zustände: ABC... K L M...

Ein Uebergang eines f-Elektrons zum g-Niveau wird Elektronenzustände mit Total-

Bahnquantenzahlen Q = ±(N+1) ± N = t 1 bzw. ± (2N+1), also je 2 B- bzw. L-Zustände

ergeben. Wird die Entartung der Niveaus durch eine Störung aufgehoben, so spalten die

4 Zustände zu B, Bb, L und L, auf (auf die Diskussion von Triplett-Zuständen, die

durch gleichzeitige Aenderung der Spin-Quantenzahl beim Elektronenübergang entstehen,

soll hier verzichtet werden). Die Bezeichnungen a und b deuten auf die Polarisierungs-

Richtung der Elektronenübergänge hin.

Mit Hilfe dieser Nomenklatur wurden von J. R . Platt und Mitarbeitern ' ' '

die Spektren einer Reihe von Kohlenwasserstoffen rein empirisch durch Vergleich der

Bandencharaktere und unter Verwendung experimentell bestimmter Polarisations-Rich-

27)tungen der Elektronenübergänge klassifiziert. In einer weiteren Arbeit wurden dann

LCAO-MO-Uebergangsenergien in die Diskussion einbezogen und auch die Effekte der

"configuration interaction" und "electron interaction" empirisch diskutiert.

Zur Diskussion der Zuordnung der Banden, d.h. zur Klassifikation, der Tropyli-

um-Kationen-Spektren, werden in der vorliegenden Arbeit ausschliesslich theoretische

Daten, nämlich die Uebergangsenergien und die Uebergangsintegrale verwendet, wo¬

bei letztere auch die Polarisations-Richtung bestimmen. Sie wurden alle aus den Re¬

sultaten der LCAO-MO-Berechnungen abgeleitet. Für eine empirische Diskussion der25)

Kationen-Spektren, die derjenigen der Kohlenwasserstoff-Spektren ' analog wäre,

stehen jedoch nicht genügend experimentelle Daten zur Verfügung. So fehlen zum Bei¬

spiel für die meisten Kationen Spektren von Derivaten.

Nach der Bohr 'sehen Relation (3) ist die Wellenzahl ^ eines Elektronenübergan¬

ges seiner Uebergangsenergie A E proportional.

«- *±- (3)h-c

26) D.E. Mann, J.R.Platt & H.B.Klevens, J. ehem. Phys. 17, 481 (1949).27) J. R. Platt, J.chem.Phys. 18, 1168 (1950).

~

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- 19 -

Allerdings geben die mittels der LCAO-MO-Theorie berechneten A E-Werte nur Vor¬

aussagen für den Schwerpunkt zwischen Singlett- und Triplett-Zustand. In Unkenntnis

der Grösse der Resonanzabstossung zwischen den beiden wurden die berechnetenA E-

Werte durch geeignete Wahl eines Proportionalitätsfaktors zwischen A E und v direkt

mit den Wellenzahlen der Absorptionsmaxima der Singletts korreliert.

2Die Intensität eines Uebergangs ist dem Quadrat seines Uebergangsintegrals Q

proportional '. Es gilt die Formel (4).

f = 1,08 • 10"5 -v Q2 G (4)

>5 Wellenzahl der Bande, die dem Uebergang entspricht

G 1 für nicht entartete Zustände

2 für entartete Zustände

f Oszillatorstärke des Ueberganges

f lässt sich andererseits aus der experimentell bestimmten Absorptionsbande, die dem

Uebergang entspricht, bestimmen:

f = 4,32 • 10"9]'\3- £-dv . (5)

Die Integration ist über die ganze Bandenfläche auszudehnen.

Nach J.R.Platt ' haben die häufigsten Elektronenzustände durchschnittlich

die folgenden Oszillatorenstärken, die unter der Annahme konstanter Halbwertsbrei¬

ten der Banden den Extinktionskoeffizienten t am Absorptionsmaximum proportional

sind.

2l

3

I

4

I

5

Il°9 Cmax.

1

-3I

-2I I

0 logf

1<-b V »

%.b

28) Die entsprechende Theorie ist beschrieben-in:

L.Pauling & E.B.Wilson, Introduction to Quantum Mechanics, New York

& London 1935.

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- 20 -

2 EXPERIMENTELLE RESULTATE

In diesem Kapitel sollen für jedes Kation die Darstellung und die physikalischen

Grössen (Absorptionsspektren, "pK"), sowie die damit im Zusammenhang stehenden

Eigenschaften verwandter Verbindungen (z.B. Spektrum und Carbonylfrequenz der Tro-

pone) kurz beschrieben werden. Die UV-Absorptionsspektren sind dargestellt in

Fig. 4 bis Fig. 12 auf den Seiten 30 - 37. Ferner wurden die physikalischen Grössen

in tabellarischer Form zusammengefasst (Tabellen 1 - 3 auf den Seiten 38/39).

2.1 Tropylium-Kation I

9)W.v.E.Doering & L.H.Knox ' erhielten das Tropyliumbromid durch

Bromierung von Tropyliden IX und anschliessende Bromwasserstoff-Abspaltung (Reak¬tionsschema (C)).

fir

flr* (C)

Diese Reaktionsfolge wurde bereits von G. Mer ling'

durchgeführt, ohne dass die

sich bildenden Tropyliumbromid-Kristalle als solche erkannt werden konnten.

Spektrum: Fig. 4 zeigt das Spektrum von Tropylium-perchlorat, gelöst in konz.

Schwefelsäure '. Es stimmt mit den von W.v.E.Doering &9)

L.H.Knox 'gemachten Angaben hinsichtlich der Wellenlängen überein.

Basizität: Diese wurde nach einem nicht näher beschreibenen Verfahren potentiome-91

trisch bestimmt ', wobei der Wert "pK" = + 4,7 erhalten wurde.

Tropon: Für das Tropon Ib fanden W. v . E . Doer in g & F

. L . Deter t15b'im Gebiet der Carbonylfrequenz Banden bei v = 1638 cm und 1582 cm .

2.2 Benztropylium-Kation II

Die Bildung eines substituierten Benztropylium-Kations wurde erstmals bei der

Reduktion von Purpurogallin-tetramethylätherX vermutet '( Reaktionsschema (D)).

29) G. Merling, Ber. 24, 3108 (1891).30) Herrn Prof. Dreiding, ehem. Inst, der Univ. Zürich, sei an dieser Stelle für

die Ueberlassung des Spektrums bestens gedankt.

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- 21 -

CH,

CH,

X T \ LAlHk_

CH.Q.

-\vc CH30

CHsO-

CH,0

CH,0 0

X

CH,0" OH

(D)

CH.0OCH,

*/

Das Reduktionsprodukt löste sich in verd. Mineralsäuren mit tiefroter Farbe. Später

wurde das in dieser Lösung vorliegende Kation XI durch seine Salze als solches iden¬

tifiziert '. Gleichzeitig gelang es dann '(vgl. auch '), durch Reduktion des 2,3-

Benztropons IIb (2,3) mit Lithium-Aluminium-Hydrid und Lösung des entstandenen

Benztropols na(2,3) in starken Säuren Salze des unsubstituierten Benztropylium-Ka-

tions darzustellen. (Die Reduktion des erstmals von J. T h i e 1 e & E.Weitz '

hergestellten 4, 5-Benztropons IIb (4, 5) führte auf der Tropolstufe zu keinen eindeuti¬

gen Produkten und es zeigte sich später, dass das dabei entstehende 4,5-Benztropol

IIa (4 , 5) zum Teil spontan in das 2,3-Benztropol Ha(2,3) umlagert; aus beiden Ver¬

bindungen entsteht aber das gleiche Kation II, vgl. Reaktionsschema (E).)

IIb (4,5)

(E)

IIa (4,5)

Spektrum: Fig. 5 zeigt das Spektrum des Kations II, aufgenommen an einer Lösung

des Benztropols üa(2,3) in 60% Schwefelsäure '.

Basizität: Diese wurde nach einer früher beschriebenen Methode potentiometrisch

bestimmt,wobei der Wert "pK" = + 1,7 erhalten wurde.

Tropon: Die Frage nach der Carbonylfrequenz der Benztropone wurde am Beispiel

der 2, 7-Polymethylen-4, 5-Benztropone Xu diskutiert '.

[ I V-0 (CHt)n XII

31) H. H. Rennhard, Diss. ETH, Zürich 1955.

32) J.Thiele & E. Weit z,Ann. 377, 1 (1910).

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- 22 -

Da eine sichere Zuteilung der beobachteten Banden zu bestimmten Gruppen¬

schwingungen auch auf Grund dieser Diskussion nicht möglich war, werden

in der vorliegenden Arbeit jeweils beide im Bereich der C=0 - Schwingungs¬

frequenz auftretenden Banden angeführt.331 -1

Für 2,3-Benztropon gibt jene Arbeit ' die IR-Frequenzen 1644 cm und

1610 cm",für 4, 5-Benztropon 1633 cm" und 1590 cm.

2.3 1, 2; 3, 4-Dibenztropylium-Kation III

Im Laufe von Arbeiten über Colchicin wurde von J.W.Cook, G.T.Dickson

34a)& J.D.Loudon das 2,3; 4, 5-Dibenztropon Illb dargestellt. Später gelang es

dann J.W.Cook, J.Jack & J.D. Loudon ', diese Verbindung auf einem

einfachen Weg, ausgehend von Methylphenanthren XIII, darzustellen (Reaktionsschema

(F)).

PblAck

OH CHj

In der vorliegenden Arbeit wurde das Dibenztropon Illb auf dem oben beschriebenen

Wege' erhalten und anschliessend mit Lithium-Aluminium-Hydrid zum 2,3;4,5-

Dibenztropol nia reduziert (vgl. Abschnitt 5.3). Stark saure Lösungen des Tropols

lila zeigen die tiefgelbe bis orange Farbe des Kations in (Reaktionsschema (G)).

F)

IllbLiAl H*

(G)

Spektrum: Fig. 6 zeigt das Spektrum des Kations in, aufgenommen an einer Lösung

der Pseudobase ffla in konz. Schwefelsäure.

Basizität: Zur Bestimmung des "pK"-Wertes wurde die Methode von N. C.De no,

21)

J.J.Jaruzelski & A.Schriesheim 'folgendermassen abgeän¬

dert:

33)Else Kloster-Jensen, N.Tarköy, A. E schenmoser & E.Heilbrun¬

ner, Helv. 36, 786 (1959).34a) J. W. Coo¥7 G.T.Dickson & J.D.Loudon, J. ehem.Soc. 1947, 746.

34b) J. W. Cook, J.Jack & J.D. Loudon et al., J.chem.Soc. 19"5TTl397.

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XIV

handelt.XTVOxytropylium-Kationdasumbei

da¬sichesdassAnnahme,dermitUebereinstimmunginstehtmvontrum

Spek¬demmitletzterendesAehnlichkeitDiedargestellt.Schwefelsäure

konz.undFeinspritinnibvonUV-Spektrendiesind11Fig.In.cm"1595

undcm"1645beiBandenzeigt31)(Fig.inbvonIR-SpektrumDasTropon:

geben.

ange¬0,3)(±2,9-="pK"WertderHIKationdasfürwirdHesultatedieserGrundAuf

.3,152,94/-2,77/--

folgt:wie-WerteH(2)BeziehungdernachmanberechnetediesenAus

.6,265,83/-5,46/--

-WerteJfolgenden'dieA.Schriesheim&J.J.JaruzelskiN.C.Deno,

21}

interpolieren:

N.C.Deno,

nachsichHessenDarausWert.wahrscheinlichsten,angegebenenMittederindemmit

/66,4%,64,0%/62,2%

hielt:GrenzenfolgendeninsichdieSchwefelsäure-Konzentration,einerbei

max.mdx.D_„_1/2aufDichteoptischediesanksoDibenztropylium-Kation),%(100Dmo„

gleichStammlösung,verdünntenfünffachWasservonBeigabeohnederd.h.felsäure,

Schwe¬konz.inPseudobasenlösungderDichteoptischediemanSetzteberechnet.tion

Schwefelsäure-Konzentra¬dieWasserMengenzugefügtendenauswurdeLösungjede

Fürgemessen.mju)457=*max(Dibenztropylium-Kationsdessorptionsmaximums

Ab¬langwelligstendesStellederanDichteoptischedieLösungjedefürwurdegleich

Temperaturaus¬erfolgtemNachaufgefüllt.Schwefelsäurekonz.mitKolbendiedann

undzugefügtWasserMengenwachsendeMesskolbenzuMesskolbenvonstimmte,

be¬MikrobüretteeinerauswurdendieseInpipettiert.Messkolben-ml10schiedene

ver¬inml2jewurdenStammlösungdieserVonergab.Dichteoptischermessbarer

gutmitLösungeineVerdünnungfünffachernachsichdasshergestellt,zentration

Kon¬solcherinwurdeSchwefelsäurekonz.inlilaPseudobasederStammlösungEine

-23-

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- 24 -

Tropolon: Die Synthese des 2,3;4,5-Dibenztropolons XV wurde von T . S akan &

M. Nakasaki ' beschrieben. Diese erwähnen, dass die Diketoform

XVI im Tautomerie-Gleichgewicht (H) stark bevorzugt ist.

XV<&*OH

^ (H)

Dies ist ein Hinweis darauf, dass in diesem Fall das Tropolon XV trotz

der Möglichkeit zur Ausbildung eines durchkonjugierten Siebenringes keine

zusätzliche Stabilität relativ zu XVI aufweist (vgl. auch Abschnitt 4.1.1).

2.4 1, 2 ; 4, 5-Dibenztropy lium-Kation IV

Nachdem das 2,3;6,7-Dibenztropon IVb zuerst von drei verschiedenen Arbeits¬

gruppen fast gleichzeitig dargestellt worden war '(W.Treibs & H. J. Klinkham¬

mer' erwähnen auch, dass das Dibenztropon IVb in konz. Schwefelsäure mit ro¬

ter Farbe in Lösung geht), stellte G.Berti ' diese Verbindung auf einfacherem

Weg her, reduzierte sie mit Natrium-Bor-Hydrid zum Tropol IVa und erhielt durch

Lösen desselben in konz. Schwefelsäure das Kation IV (Reaktionsschema (J)).

NaBHt

(J)

IV

Spektrum: Fig. 7 zeigt das Spektrum des Kations IV, aufgenommen an einer Lösung

der Pseudobase IVa in konz. Schwefelsäure .

.,11)

2D,Basizität: Der von G.Berti ' nach der früher erwähnten Methode ' erhaltene

pKR® - Wert von -3,7 wurde nach der Beziehung (2) in den Wert "pK" =

-1,9 umgerechnet.

Tropon: Die Carbonylfrequenz des Dibenztropons IVb beträgt vro

= 1660 cm

was der Frequenz eines gewöhnlichen Diarylketons entspricht. Es zeigt

sich, dass die prinzipielle Möglichkeit einer Konjugation über den Sieben

1 36c)

35)T.Sakan & M.Nakasaki, J.Inst.Polytech. Osaka City Univ. 1, 23(1950);CA. 46, 5036b (1952).

~

36a) A.C. Cope & S.W.Fenton, J. Amer. ehem. Soc. 73, 1673(1951).b) W.Treibs & H . J

. Klinkhammer ,Ber. 84, 671T71951).

c) E . D. Bergmann et al., Bull. Soc. chim. 195f7"684.

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- 25 -

ring nicht oder nur in geringem Masse benützt wird, so dass keine zusätz

liehe Polarisierung der C=0 - Bindung eintritt, was durch die Tatsache be¬

stätigt wird, dass das Keton XVII die gleiche Carbonylfrequenz v =1660 cm

wie IVb aufweist.

XVII

-1

2.5 (1', 2'-Naphto-)tropylium-Kation V

S.A.Julia, Y.Bonnet & W.H.Schaeppi' beschrieben die Synthese

des (l',2'-Naphto-)2,3-tropons Vb und die Reduktion zum entsprechenden Tropol Va.

Gestützt auf diese Arbeit wurde am hiesigen Laboratorium das (1*,2'-Naphto-)2,3-

tropol Va hergestellt und das Kation V durch Lösen, des Tropols in 60 % Schwefelsäure

erhalten (Reaktionsschema (K)).

(K)

Vb Va

10b)

Spektrum: Fig. 8 zeigt das Spektrum des Kations V, aufgenommen an einer Lösung

des Tropols Va in 60 % Schwefelsäure.

Basizität: Diese wurde potentiometrisch nach der früher beschriebenen Methode

bestimmt, wobei der Wert "pK" = + 2,2 erhalten wurde.

Tropon: Das IR-Spektrum von Vb zeigt im Gebiet der Carbonylschwingung Banden

~* -1 -1 38^bei den Frequenzen v = 1642 cm und 1590 cm '.

37) S. A . Julia, Y.Bonnet & W.H.Schaeppi, C. r.hebd. Séances Acad. Sei.

243, 1121 (1956).38)"STA. Julia, Y.Bonnet & W. H

. Schaeppi, unveröffentlicht.

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- 26 -

2.6 (2', 3'~Naphto-)tropylium-Kation VI

39)Nach Angaben von W. R i e d & H.J.Schwenecke ' wurde das 2, 7-Dicarb-

aethoxy-(2',3'-Naphto-)4, 5-tropon XX hergestellt. Durch Verseifung und Decarboxy-

lierung von XX in methanolischer Kalilauge konnte entweder über das 2-Carboxy-(2',3'-

Naphto-)4, 5-tropon XXI oder direkt (ohne Isolierung desselben) das (2',3'-Naphto-)4, 5-

tropon VIb gewonnen werden (vgl. Abschnitt 5.1). Dieses wurde durch Lithium-Alumi¬

nium-Hydrid zum Naphtotropol Via reduziert. Beim Unterschichten einer Aetherlosung

desselben mit konz. Schwefelsäure ging es mit blauer Farbe als Kation in der Schwefel¬

säure in Lösung (vgl. Abschnitt 5.2) (Reaktionsschema (L)).

COOCiHs

Spektrum: Fig. 9 zeigt das Spektrum des Kations VI, aufgenommen an einer Lösung

von Naphtotropol Via in 70 % Schwefelsäure.

Basizität: Diese wurde nach einer früher beschriebenen Methode ' potentiometrisch

bestimmt:

Den Potentialen, welche den zur Hälfte neutralisierten Standardverbindungen p-Nitro-

anilin und p-Amino-azobenzol entsprechen, wurden die bekannten pK'-Werte ' 0,99

und 2, 76 der konjugaten Säuren dieser Verbindungen zugeordnet, worauf mittels des

bei halbem Umsatz des Tropols Via gemessenen Potentials der "pK"-Wert des Kation VI

linear extrapoliert wurde (vgl. hierzu '):

39) H.Ried & H.J.Schwenecke, Ber. 91, 566(1958).40)Doris Meuche, W.Simon & E

.HeTTbr onner

,Helv. 42, 452 (1959).

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- 27 -

Verbindung Potential "pK"in mV

p-Amino-azobenzol 277 2,76

p-Nitro-anilin 155 0,99

(2',3'-Naphto-)tropylium-Kation 112 Î 10 0,34 ±0,2

Auf Grund dieser Resultate wird für das Kation ein Wert "pK" = + 0,3 (± 0,2) angegeben.

Dieser Wert liegt an der unteren Grenze derjenigen pK-Werte, die sich im System Eis¬

essig/Wasser durch Titration mit Perchlorsäure noch bestimmen lassen. Infolge der

Nivellierungseigenschaften des verwendeten Lösungsmittelsystems lassen sich in

diesem schwächere Pseudobasen nicht mehr erfassen. Im Falle der Pseudobase Via

konnte die Potentialstufe gerade noch erkannt werden.

Tropon: Das IR-Spektrum vonVIb(Fig. 30) zeigt im Gebiet der Carbonylbande Fre¬

quenzen bei: >5 = 1634 cm" und 1600 cm". Fig. 12 zeigt die UV-Spektren

des Naphtotropons VIb in Feinsprit und in konz. Schwefelsäure, in wel¬

cher das Tropon VIb wahrscheinlich in Form des Oxytropylium-Kations

XXII vorliegt.

Wenn auch die Aehnlichkeit des Spektrums des letzeren mit demjenigen des

Kations VI nicht so offensichtlich ist wie im Falle des Dibenztropons inb

im Vergleich zum Kation Hl, so liefert doch die Betrachtung der Fig. 29,

vor allem des Spektrums des Dimethyl-Naphtotropylium-Kations XXVIII,

einen Hinweis darauf, wie sich durch Verschiebungen in der ziemlich kom¬

plizierten Bandenstruktur des Spektrums des Kations VI jenes des Oxy-Ka-

tions XXII ableiten lassen könnte.

2.7 Tr ibenztr opylium - Kation VII

12)

M.Stiles & A.J.Libbey' erhielten das Tribenztropon Vllb als Produkt

einer Umlagerung von 9-o-Aminophenyl-9-fluorenol XXIII.

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- 28 -

Bei der Reduktion mit Natrium-Bor-Hydrid wurde das Tribenztropol Vila und durch

Lösen desselben in konz. Schwefelsäure das Kation VII erhalten (Reaktionsschema (M)).

w

yONaBHf,

c0 H OH

Vltb Vila

(M)

VII

Spektrum:

Basizität:

Tropon:

Fig. 10 zeigt das Spektrum des Kations VII, aufgenommen an einer Lösung41)

12)

der Pseudobase Vila in konz. Schwefelsäure

Zur Bestimmung des pKR $ -Wertes des Kations VII gingen die Autoren*

ähnlich vor wie es im Abschnitt 2.3 beschrieben wurde, konnten aber we¬

gen der Unstabilität der Lösungen des Tribenztropols VHa in konz. Schwe¬

felsäure nur eine grobe Schätzung von pKR$ = ca. -15 erhalten. Umge¬

rechnet nach Beziehung (2) ergibt sich der Wert "pK" = ca. -7,4.

Für das Tribenztropon VHb wird eine Carbonylfrequenz v„„ = 1668 cm

12)angegeben ', welche wiederum im Bereich derjenigen Schwingungsfre¬

quenzen liegt, wie man sie für Diarylketone findet. Sie deutet darauf hin,

dass im Tribenztropon der Siebenring noch weniger als im 2,3;6,7-Di-

benztropon IVb zur Polarisierung der C=0 - Bindung beiträgt.

-1

2.8 Tabellen

In der Tabelle 1 sind die Wellenzahlen >5 bzw. Wellenlängen À, sowie die Extink¬

tionskoeffizienten l der Absorptionsmaxima der Kationen-Spektren (Fig. 4 bis 10) zu¬

sammengestellt. Die Nummerierung der Maxima ist willkürlich und soll keinerlei Aus¬

sage über die Zuteilung einzelner Banden in den Spektren verschiedener Kationen dar¬

stellen. Eine erste Klassifikation wurde nur insofern vorgenommen, als Maxima, die

vermutlich der Feinstruktur eines einzelnen Elektronenüberganges zuzuordnen

sind, unter derselben Nummer zusammengefasst wurden und Schultern, die vor¬

aussichtlich einen gesonderten Elektronenübergang repräsentieren, separat gezählt

wurden, wobei die ungefähre Lage des Absorptionsmaximums in Klammern gesetzt ist.

Die Werte der Tab. 1 wurden in Fig. 26 dazu verwendet, die Spektren in stark schema-

41) Herrn Prof. Stiles,Univ. of Michigan, sei an dieser Stelle für die Ueberlassung

des Spektrums bestens gedankt.

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- 29 -

tisierter Form zum besseren Vergleich mit der Theorie (vgl. Fig. 25) darzustellen:

Die Lage der Striche im vertikalen Massstab gibt die Wellenzahl der Absorptions-

maxima an, ihre Länge den entsprechenden Extinktionskoeffizienten im Massstab

UogE-3).

In den Tab. 2 und 3 sind die "pK"-Werte der Kationen I bis VII bzw. die Wellen¬

zahlen der Banden im Carbonylgebiet der IR-Spektren für die Tropone Ib bis Vllb zu¬

sammengestellt, die in den Abschnitten 2.1 bis 2. 7 einzeln erwähnt wurden.

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- 30 -

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- 31 -

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III

l,2;3,4-Dibenztropylium-Kations

des

UV-Spektrum

6Fig.

Xcm-')

*<0ooo

35ooo

30ooo

25ooo

20000

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- 33 -

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V(l',2'-Naphto-)tropylium-Kations

des

UV-Spektrum

8Fig.

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VI

3'-Naphto-)tropylium-Kations

(2',

des

UV-Spektrum

9Fig.

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Vu

Tribenztropylium-Kations

des

UV-Spektrum

10

Fig.

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37

Fig. 11 UV-Spektren des 2,3;4,5-Dibenztropons IHb in Feinsprit (M = 0) und in konz.

Schwefelsäure (M = 2)

Fig. 12 UV-Spektren des (2',3'-Naphto-) 4,5-tropons VIb in Freinsprit (M = 0) und

in konz. Schwefelsäure (M = 2)

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26

Fig.

vgl.

4.61

40*700

250

40'000

(4.3

2)

(21*

000)

(290

)

(34*

500)

3.96

9'100

410

24*400

(3.1

5)

'400)

(1

(500)

(20*000)

3.32

2-100

560

17'850

vn

4.30

19'900

301

33'250

4.21

16'200

310

32*250

4.22

16*600

331

30*2.00

3.62

4'200

397

25'200

3.04

l'lOO

608

16'450

VI

4.37

23*600

256

39*100

4.16

14*400

295

33*900

4.46

29'200

337

29'700

3.48

3'050

458

21'800

V

4.17

14'800

237

42*200

5.09

123*000

306

32'650

(3.9

5)

(900

0)

(331

)

(30*

200)

4.01

10'200

3.94

'700

8

379

26*400

397

25'200

3.51

3'250

3.51

3-250

508

19'700

540

18*500

IV

4.20

15*800

248

40*400

4.62

41'800

281

35*600

4.49

31'000

300

33'350

4.24

17*400

317

31*550

4.12

13'200

457

21'900

m

4.25

17'800

234

42'800

4.70

50'000

282

35*500

3.50

3*150

338

29*600

3.25

1*650

425

23'500

n

4.61

41*000

217

46'100

3.65

4'500

274

36'500

I

£/log£

Vx

£/log£

Vx

£6/log

Vx

3

£/log£

>

Vx

<

£/log£

Vx

UV-Absorptions-Maxima

1Tabelle

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- 39 -

Tabelle 2 "pK"-Werte der Kationen I bis VH

Kation

I

II

ni

IV

V

VI

vn

pKRe

5,811)

3,7

1512>

"pK"

+ 4,79>+ l,710b>-2,9

"1,9

+ 2,2

+ 0,3

-7,4

Ib

Tabelle 3 IR-Frequenzen der Tropone Ib bis VTIb

Tropon

15b)

IIb (2,3)(4,5)

31)33)

Illb

IVb36c)

Vb(2,3)38)VIb (4, 5)

vnb12)

Wellenzahlen V

1638 1582

1644

1633

1610

1590

1645 1595

1660 —

1642 1590

1634 1600

1668 --

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cj(n-r)-±=

cjr

auftritt:FormfolgenderinRechnungderbeivorhanden)(woMolekel

derSymmetrieeigenschaftdiedassgewählt,sowurdeAO'sderNummerierungDie42)

Umformung:folgendedurchw-KoeffizientendenaussieerhältManwurden.berechnet

AO'sgebundenenzwischenSOverlap-IntegralesdesBerücksichtigungunterdiegeben,

ange¬E.'Eigenwertederw.'KoeffizientendiesindZeilenzweitunterstendenIn

bezeichnet.Zifferneingeklammertenmitfortlaufendbeginnend,(0))=(jEigenwert

beimunterstenNiveaus,diedortwurdenist,anwendbarnichtSymmetrieebenesätzlichen

zu¬fehlendenderwegenVKationdasaufNomenklaturdieseDan-1).bis^i—=(j

sindantisymmetrisch&derensolchen,und)^r—bis0=(jsindsymmetrischebene

Symmetrie¬dieserbezüglich$•LCAO-MOderenj,Niveauszwischenunterschieden

wurdey-Achse),21:Fig.(vgl.aufweisenSymmetrieebenestehendesenkrechtebene

Molekel¬deraufeine(l',2'-Naphto-)tropylium-KationdemausserMolekülealleDa

wird:verwendetArbeitdieserinsiewieNiveaus,derNummerierung

diegebenZeilezweitenderZahlenDiesind.bezeichnetgleichNiveausentartete,

Perimeter-Ring-Modellbeim2,jewobeiwieder,'Platt.RJ.vonNomenklaturder

24)

nachNiveausderBezeichnungdiegibt10bis4Tab.derZeileoberstejeweilsDie

hervor.1Fig.dermelbildern

For¬denausgeht'AO'sderNummerierungDieAO's).dene

gebund-seien(r,sMolekülimAOdesStellungdiebezeichnetr

&);(E-Niveaudasaufsichbeziehtj

aufbauen.LCAO-MO'sdiesichdenenaus2pz-AO's,diebedeutenr

X

r=o

*j=Z»jrXrEr<x-wrp>

zusammengestellt.Niveausdenden

LCAO-MCderc-

Koeffizienten

undE;Energie-Eigenwertederw,Koeffizientendiesind10bis4Tab.denIn

Kationen-ModellederKoeffizientenundEigenwerte3.1

antibin-dreiunterstenderundbindendenaller$;LCAO-MOderc-

Koeffizientendie

zurückgehen-'ekelHü.EaufihrerinLCAO-MO-Theorieder

Rahmenim

welchela)

wurden.berechnetNäherungden

LCAO-Mider

Rahmenim

he

dargestellt,TabellenforminWertetheoretischenjenesindKapiteldiesemIn

echnungenMO-Ber3

-40-

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- 41 -

V =tV S =0,2543).J 1-S-Wj

3.2 Störungsrechnung

Um, wie es M.J.S.Dewar & R.Pettit' beschreiben, diejenigen Werte

miteinander vergleichen zu können, die einerseits aus den üblichen LCAO-MO-Be-

rechnungen hervorgehen und andererseits durch eine einfache Störungsrechnung aus¬

gehend vom Perimeter-Ring-Modell erhalten werden können, wurden die in den unter¬

sten Zeilen der Tabellen 4 bis 10 aufgeführten Koeffizienten w,* nach folgender Metho¬

de berechnet:

1. Nach der allgemeinen Formel (6) wurden die Eigenwert-Koeffizienten eines Ringes

von n AO's berechnet.

w-(Ring aus n AO's) = - 2 cos =£- j (6)

2. Für die entsprechenden Niveaus wurden die Koeffizienten c. der Linearkombina¬

tionen $= der n-gliedrigen Ringe nach den Formeln (7) bis (9) berechnet.

c* =\7k'cos(^i"r) wennl<J<-ar (8)

c* =-JL • sin (2E. j . r) Wenn £±^j<n-l (9)3 Vn/2 n 2

3. Um aus den nach Formel (6) berechneten Werten Näherungen für die nach der übli¬

chen LCAO-MO-Methode bestimmten Eigenwerte der Kationen zu erhalten, mussten

die w.(Ring)-Werte nach Formel (10) korrigiert wurden um einen Betrag Aw, (be¬

rechnet nach Formel (11)), der von der Lage der zur Bildung des betreffenden Kations

aus dem Perimeter-Ring notwendigen Querbindungen abhängt.

w-* = Wj(Ring) + AWj* (10)

Aw> = - 2ß F Cj*r, Cj*s, (11)

43) G. W. Wheland, J.Amer.ehem.Soc. 63, 2025(1941).44) M. J.S.Dewar & R.Pettit, J.chem.Soc. 1954, 1617.

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- 42 -

wobei fur jedes Kation über die Stellungen r' und s', zwischen denen die notwendigen

Querbindungen liegen, summiert wird. Zur Berechnung der Aw* fur das Kation V

wurde wegen mangelnder Symmetrie des Kations V das von M.J.S.Dewar &

R. Pettit ' beschriebene Verfahren verwendet.

Die Aw -Werte, erhalten nach Formel (11) fur (3 = 1, sind in Tab. 11 zusam¬

mengestellt. Eine Regressionsrechnung derwf-Werte auf denw -Wertennach der Methode

45) J J

der kleinsten Quadrate ' ergibt ß= 0,877. Em Wert ß < 1 war zu erwarten, da die

Querbindungen in den Kationen zu den Bindungen niedrigerer Bindungsordnung gehören

(vgl. auch Fig. 13 bis 19). Da es sich ausserdem bei der angewandten Storungsrechnung

um eine Näherung 1. Ordnung handelt, zeigen vor allem die w -Werte mit grossem* i

absolutem Betrag von Aw besonders deutliche Abweichungen von den w -Werten.

3.3 Ladungsdichten, Bindungsordnungen, freie Valenzen

Die Fig. 13 bis 19 zeigen die aus den c der Tab. 4 bis 10 nach den Formeln (12)

bis (14) berechneten Grossen qr, p und F '.

b, c,_ (12)1

j J Jr

Bindungsordnung pfS= Z b^ c c (13)

freie Valenz Fr = \ß - ZLprg (14)

(b.: Besetzungszahl des Niveaus j; fur den hier betrachteten

Grundzustand gilt: b = 2 fur alle bindenden MO's,

b = 0 fur alle antibindenden MO's).

3.4 Eigenwerte der Pseudobasen-Modelle

In Tab. 12 sind die Koeffizienten w der ir -Elektronen-Systeme der zu berück¬

sichtigenden Pseudobasen (vgl. Fig. 2) zusammengestellt. Beim Uebergang vom Ka-

tion Y zur Pseudobase Ya(r) wird das 2p -AO r durch Einlagerung einer OH - Grup¬

pe der Konjugation entzogen. Es bleibt ein V -Elektronen-Restsystem mit gleicher An¬

zahl Elektronen wie AO's, nämlich (n - 1), zurück.

45) vgl. : O. L. Davies,Statistical Methods in Research and Production, London 1954.

46) Fur das Kation II wurden diese Werte bereits von J.D.Roberts, A.Streit-

wieser & C.M.Regan, J. Amer. ehem.Soc. 74, 4579 (1952), berechnet und von

E. Heilbrunner & A.E schenm oser l'a) durch ausführliche Rechnungen er¬

gänzt.

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- 43 -

3.5 Delokalisierungs-Energien

In Tab. 13 sind die aus den Tab. 4 bis 10 berechenbaren Grössen Z b- w, und DE

(nach Formel (16)) zusammengestellt, wobei einerseits von den Werten der Störungs-

rec.hnung, andererseits von jenen der LCAO-MO-Berechnungen ausgegangen wurde.

Aus den Grössen T. b- w. lässt sich die Gesamt-iC -Elektronen-Energie E_ nachj ] ]

Bir,n

Formel (15) berechnen.

Gesamt-1C-Elektronen-Energie E = (n-l)o< -/?Z b5w. (15)1t ,n j J ]

Delokalisierungs-Energie DE = (n-1) (ex+(3)-E =ß [(n-1) + Z b, w.] (16)•*• ?

n î J ]

((n-1) ist die Zahl der X -Elektronen im Kation CnHm© ).

Die Tab. 13 enthält zudem die aus der Tab. 12 berechneten Werte 5! b4 w; der Pseudo-

31 1

basen.

Der Vergleich zwischen der DE (berechnet aus den LCAO-MO-Daten) und der

DE* (analog aus den Daten der Störungsrechnung berechnet) zeigt, dass die Werte der

DE* wohl in Bezug auf die absolute Grösse abweichen, dass aber die relativen Sequen¬

zen übereinstimmen:

i<n<vwiv~m«.v< vu .

3.6 Atomlokalisierungs-Energien und Ladungsdichten

Da bei theoretischen Betrachtungen über die Basizität von Verbindungen sowohl

die Atomlokalisierungs-Energien A als auch die Ladungsdichten q verwendet werden

können ', wurden die in unserm Fall massgebenden Grössen A ® ' bzw. q für die

zu berücksichtigenden Pseudobasen in Tab. 14 zusammengestellt. Die A ® -Werte wur¬

den nach Formel (18) aus den Werten der Tab. 13 berechnet, die q -Werte wurden den

Fig. 13 bis 19 entnommen.

At = Eic n

(Kation) " Ex n

(Pseudobase r) (17)

A® (in /3-Einh.) = - [I bi wi (Kation) - T bi wi (Pseudobase r)] (18)

47) Betr. die Verwendung von Atomlokalisierungsenergien zur Beurteilung von Gleich¬

gewichts- und Reaktionsdaten vgl. : R.D.Brown, Quart. Rev. 6, 63(1952).

48) Unter Atomlokalisierungsenergie A® versteht man den Verlust an DE, den das Sy¬

stem erleidet beim Uebergang vom Kation zur Pseudobase r, d.h. wenn formell

am Atom r eine positive Ladung lokalisiert wird und dieses damit durch Konjuga¬tionsbarrieren aus dem Resonanzsystem ausgeklammert wird.

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- 44 -

Da erwartet wird, dass zwischen q und A®

ein linearer Zusammenhang besteht,

indem eine hohe negative Ladungsdichte q die Lokalisierung einer positiven Ladung

erschweren sollte, wurde für die Werte der Tab. 14 eine Regressionsgerade berech¬

net ' (vgl. Fig. 20). Auffallend ist, dass Ar® für verschiedene Stellen innerhalb des

gleichen Kations stärker von q abhängt als dies für die Stellen niedrigster Lokalisie¬

rungsenergie bei verschiedenen Kationen der Fall ist.

3.7 Ueber gangs-Ener gien und Ueber gangs-Integr ale

In der Tab. 15 sind die aus den w. '-Wertender Tab. 4 bis 10 berechenbaren Ueber-

gangsenergien AE' (unter Berücksichtigung des Overlap-Integrals zwischen gebundenen

AO's) sowie die Uebergangsintegrale Q und deren Quadrate zusammengestellt. Für

einen Elektronenübergang vom Niveau i zum Niveau j gelten die Formeln (19) bis (22).

AEi-»j = (<x-Wi'*) - («.-w.'fl) (19)

AE,i-~i

AE' (x) = w.' - w.' (20)

Qx~3 = "l cùcjrxr <4~j = Z circjryr (21)r=o

' 'r=o

J

Q2 = Qx2 + Qy2 (22)

(Die Koordinaten x und y können aus Fig. 21 ersehen werden.)

Die Fig. 25, in der die Werte von Tab. 15 graphisch dargestellt sind, zeigt in

Analogie zur Fig. 26 die Absorptions-Spektren, wie sie auf Grund der hier verwende¬

ten einfachen LCAO-MO-Näherung theoretisch zu erwarten wären.

Die Lage der Striche im vertikalen Massstab entspricht der Uebergangs-Energie

AE', ihre Länge dem Quadrat des entsprechenden Uebergangsintegrals. Die Bezeich¬

nung der einzelnen Uebergänge wurde der Kolonne 1 der Tab. 15 entnommen, die ange¬

führten Polarisierungsrichtungen beziehen sich auf die längste Achse des Kations,

die in den Kationen II und VI parallel zur y-Achse (vgl. Fig. 21) verläuft, in den Ka¬

tionen in, IV, VII parallel zur x-Achse. Es ist leicht einzusehen, dass die Uebergänge,

für welche Q = 0 ist, parallel zur y-Achse polarisiert sind und entsprechend solche,

für die Q = 0 ist, parallel zur x-Achse. Beim Kation V, dem die Symmetrieebene

senkrecht zur Kationenebene fehlt, wurde auf die Angabe der Polarisationsrichtung ver¬

zichtet.

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45 -

•* CM

en OS en TH 1-1 en en iH

iH *H c- tH t-i t~ iH OS

J3 * o CO 1-t CM CM tH CO t-

00 CM •4< in in <J< CM CM

rH o O o o o o o CO

+ 1 + 1 + 1 + +

•"» CM

OS in CO CO Oi en CO CO H

j; cotH •* rH CO 00 CO CO tH en

o CO CO CO TH l-( CO 00 t-

CO m * CO tH i-t CO 1< CM

t-HT-l o o o O o o o CO

+ + 1 + 1 i + 1 +

toco

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Kato *H en e» en en 1-t t-

bo inin rH i-i t- c- tH tH o

•* CM CO iH tH CO CM o

i

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o o o O O o o o o

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>>a,o * m

u o in en CO CO CO CO en t-

H OD CMin •«f CO T-l CO CO tH CO o

•* CO iH CO CO CO CO tH o

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O+

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1

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«M (O CO c- t-i tH tH tH c- o

o« 1-1 CM CO CO CM i-t in

CM * in CM CM in •* en

iH o o o o o o o o

1 1 1 1 + + + i

H

•>a<CO CM

OÎ in CO en CD CO OJ CO CO

<u« —

CO * CO CO T-l r-t 00 CO o

•* CO CO tH CO CO tH CO m

a>CM in CO i-H ** •* 1-1 CO en

Tab t-4 o o o O O o o o

1 + + 1 1 +

oo o o o o o o o

CO

CO

o 00 00 00 00 CO oo 00 CO

<u o o c- t- t- t- C- t- CO

o eo co co co CO CO co CO

CM

1

o+ i o

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+

o+o+o

+ 1

hOi-HCMCOTj'mCO

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COo0000CDOlCOCOo>COCOCOCOœh-*4».

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toCOo*-t-*coCOCOCOH*4*o4»COCO to00on-3oi-aCOto-JCO-3en00CO

h-*COen*.COen*-*.enCO4».en-JOl«OenH*00*.oi0000Ol4».00h-*COH*

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47

o

0>

s

o o _

8931 2858 1276 1718 3974 1832 2338 3920 1163 1163 3920 2338 1832 3974 1718 1276 0845 8666o

Ho-Ho o

i

o+o o

i

o-Ho

i

o +0. o

i

oi +0 o

i

oi +1. o

+

61803 4043 1249 3271 3271 2021 2021 3271 3271 2021 X202 3271 3271 1249 73097 55812o-H

o

-Ho

i

oi

o o+o

i

oi

o+oHo

i

oi

o+o o

i

oi

o+

o-H

13233 5185 0686 802,2 1045 2570 1385 2387 2387 1385 02,92 95-OX 2708 0686 5185 13686 12669+0. O o

+o o o

+o+o

i

o o+o+o o o

+o

-Ho o

+o+

79616 1322 1053 3257 3646 0354 3928 2773 2773 3928 0354 3646 3257 1053 1322 66400 80225o o +0. o

+o o

i

o+o+o+

oi

oi

o o+o+o o o o

85033 4265 1813 2723 3314 0095 3233 2845 0814 0814 2845 3233 0095 3314 2723 1813 70126 96708o o

+o+o o

i

o o+o-Ho o

i

o+o+o

t

oi

o o

-Ho

i

oi

25276 2905 3639 1260 2060 3841 292,2 0394 0394 2752 3841 2060 1260 3639 2905 95398 122581

o o+o+o+o

i

oi

o o-Ho o

+o-Ho+o

i

o oi

oi 1

31121 0806 8290 0113 3144 4236 2410 1076 3820 3820 1076 2410 4236 3144 0113 0528 98751 28729T-i o

+o

•Ho o

+o+o

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- 52 -

Tabelle 11 Korrekturen Aw* der Eigenwert-Koeffizienten

w. (Ring) der Perimeter-Ringe

n m IV

0 -0.18180

1 -0.00737

2 -0.33473

3 -0.06273

4 -0.25733

8 +0.30093

9 +0.02885

10 +0.35634

0 -0.26667 -0.26667

1 +0.34906 +0.39418

2 +0.05097 -0.11023

3 -0.34904 -0.05090

4 +0.34906 -0.04514

5 -0.13337

10 0

11 -0.08237 +0.31169

12 -0.18421 -0.48247

13 +0.21568 +0.37689

14 -0.08237 -0.12747

VI vn

(0) -0.53333

(1) -0.06908

(2) +0.41815

(3) -0.15297

(4) +0.20390

(5) -0.25694

(6) -0.09214

(7) +0.14666

(8) +0.20241

(9) -0.20000

0 -0.26667

1 -0.09213

2 -0.24121

3 -0.44126

4 -0.09213

5 -0.33343

11 +0.44120

12 +0.09211

13 +0.29207

14 +0.44120

0 -0.31575

1 +0.06342

2 +0.19218

3 -0.34897

4 -0.19808

5 -0.08709

6 +0.12075

14 +0.34751

15 -0.40164

16 +0.19384

17 +0.40000

18 -0.01118

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- 53 -

fr

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13 Ladungsdichten q , Bindungsordnungen p und freie Valenzen F des

Kations I

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14 Ladungsdichten q , Bindungsordnungen p und freie Valenzen F des

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15 Ladungsdichten q , Bindungsordnungen p und freie Valenzen F des

Kations VI

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VKations

des

FValenzen

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pBindungsordnungen

,q

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Fig.

KI

Kations

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FValenzen

freie

und

pBindungsordnungen

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Ladungsdichten

16

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VU

Kations

des

FValenzen

freie

und

pBindungsordnungen

,q

Ladungsdichten

19

Fig.

IV

Kations

des

FValenzen

freie

und

pBindungsordnungen

,q

Ladungsdichten

18

Fig.

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- 56 -

Tabelle 12 Eigenwert-Koeffizienten w. der Pseudobasen- Modelle

la üa(2) Ha(0) nia IVa

0.4448 -0.4736 -0.5549 -0.5809 -0.5043

1.2468 -1.0000 -0.8019 -0.8146 -1.0000

1.8019 -1.1877 -1.4142 -1.0000 -1.0000

-1.6504 -1.4142 -1.3090 -1.1555

-2.1543 -2.2470 -1.4142

-1.9509

-2.3408

-1.5047

-2.0641

-2.2105

Va(2) Va(0) Va(13) VIa(2) Vla(0) VHa

-0.4368 -0.4374 -0.3965 -0.4368 -0.5356 -0.6103

-0.7035 -0.7904 -0.8408 -0.7035 -0.5938 -0.8243

-1.1065 -1.0000 -1.0000 -1.1065 -1.1290 -1.0000

-1.3125 -1.2960 -1.3409 -1.3125 -1.2396 -1.0000

-1.5214 -1.4914 -1.5664 -1.5214 -1.4733 -1.2890

-1.8834 -1.8624 -1.8077 -1.8834 -1.9133 -1.3345

-2.3464 -2.4107 -2.3699 -2.3464 -2.3912 -1.8553

-2.0811

-2.3943

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- 57 -

Tabelle 13 Vergleich zwischen Störungsrechnung und LCAO-MO-Theorie

Z b,w.* - bzw. Z b^w. - Werte 1Î ' J j

*

f der Kationen Y

Delokalisierungs-Energie DE* bzw. DE I

4- b-w.-Werte der Pseudobasen Ya(r)

- IbjWj*

DE DE

- ZbjWjKation

rPseudobase (r)

iAa 8.9879 2.9879 2.9879 8.9879 0 6.9870

n/na 14.3308 4.3308 4.7038 14.7038 2

0

12.9320

12.8644

m/nia 19.6668 5.6668 6.4664 20.4664 0 18.8208

IV/IVa 19.6669 5.6669 6.4222 20.4222 0 18.8782

V/Va 20.0984 6.0984 6.4742 20.4742 2

0

13

18.6210

18.5766

18.6444

Vl/VIa 19.5654 5.5654 6.3454 20.3454 2

0

18.6210

18.5516

Vn/VHa 25.0719 7.0719 8.2326 26.2326 0 24.7776

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- 58 -

Tabelle 14 Atomlokalisierungs-Energien beim Uebergang vom Ka-

tion zur Pseudobase r (in (3 -Einh.)

Ladungsdichten am Atom r des Kations

r A® qr (Kati

I/Ia 0 2.0002 0.857

n/na 2

0

1.7718

1.8394

0.813

0.818

in/ina 0 1.6456 0.768

IV/lVa 0 1.5440 0.738

V/Va 2

0

13

1.8532

1.8976

1.8298

0.841

0.843

0.838

Vl/VIa 2

0

1.7244

1.7938

0.802

0.806

vn/viia 0

vgl. Fig

1.4550

.20

0.691

20 Regression von A ® auf q für die zu berücksichtigenden Pseudobasen (vgl.Fig. 2)

r r

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- 59 -

-uoo/S705>

0700 0 700

\ UOO\B70S 2 BOO

\£70S

0700\ /0700 \3500ÏA93/ \5t93 /S493

-2 60S

4560

-I400S

-3559/3492\

/-0700

'-1S74

-3939/1432\

-2208-0345

(1400 2800\'

4280 4.280

\3S59(3492

2 9121

\393911432

2288-0345

Fig. 21 Koordinaten der Atomzentren der T-Elektronen-Systeme in den Tropylium-Kationen I bis VII

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- 60 -

Tabelle 15 Uebergangsenergien AE', Uebergangsintegrale Q und deren Quadrate Q

für die Uebergänge i—j der Kationen I bis VII

l—*i E'(y) Q. Q„

I 1/6 — 2/50 —2/5

1.45137

1.83408

-0.807 0.65

n 9 —3 0.89769 -0.760 0 0.58

2 —3 1.13629 0 -1.109 1.23

10—3 1.28450 -0.430 0 0.19

9 —8 1.31237 0 -1.119 1.25

1 —3 1.42755 0 -0.130 0.02

2—8 1.54097 +0.754 0 0.57

10—8 1.68918

m 12 —11 0.80086 0 -0.625 0.39

3—11 0.83812 +1.214 0 1.47

13 —11 1.09084 0 -0.843 0.71

2—11 1.12437 +0.364 0 0.13

1—11 1.28888 +0.174 0 0.03

12—4 1.39497 -1.103 0 1.22

3—4 1.43223 0 -0.962 0.93

IV 3—4 0.73587 0 -0.856 0.73

12—4 0.96646 -1.050 0 1.10

13—4 1.06291 -0.877 0 0.79

3—11 1.14644 +1.378 0 1.90

2—4 1.21128 0 -0.164 0.03

12 —11 1.37703 0 -0.443 0.20

13 —11 1.47348

V (6)-(7) 0.89589 +0.641 +0.942 1.30

(5)* (7) 1.04225 +0.459 -0.547 0.51

(6)-(8) 1.09870 -0.402 +0.759 0.74

(5)-(8) 1.24506 +0.654 +0.883 1.21

(4)-(7) 1.24857 -0.053 -0.516 0.27

(3)-(7) 1.34276 -0.445 +0.305 0.29

(4)-(8) 1.45138

VI 12—4 0.61328 -0.775 0 0.60

3—4 1.00687 0 -1.283 1.65

13—4 1.02144 -0.420 0 0.18

12 —11 1.16962 0 -1.313 1.72

14—4 1.21770 -0.288 0 0.08

2—4 1.24412 0 -0.369 0.14

12—5 1.4Q196 +0.428 0 0.18

vn 4—5 0.69717 0 -0.999 1.00

15—5 0.77111 -0.657 0 0.43

16—5 0.88766 -1.170 0 1.37

17—5 1.06250 -0.485 0 0.24

3—5 1.08371 0 -0.305 0.09

2—5 1.13248 0 -0.250 0.06

4—14 1.32973

vgl. Fig. 25

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- 61 -

4 DISKUSSION

4.1 Basizität

4.1.1 Korrelation zwischen den "pK"-Werten und den optimalen Atomlokalisierung-Energien.

In der Tab. 16 werden die Werte "pK" (aus Tab. 2) mit den Werten A ®t (aus

Tab. 14) verglichen.

Tabelle 16 Vergleich der experimentell bestimmten "pK"-Werte mit den

theoretischen A©. -Wertenopt.

Kation ?KR® "PK" ^pt. "PK"ber.(23)

Tropylium

Benztropylium

l,2;4,5-Dibenztropylium -3,7

(1', 2'-Naphto-)tropylium

(2', 3'-Naphto-)tropylium

+ 4,7 2,00

+ 1,7 1,77

-1,9 1,54

+ 2,2 1,83

+ 0,3 1,72

- 2,9 1,65 -0,4(10,9)

-7,4 1,46 -3,l(+0,9)

l,2;3,4-Dibenztropylium - 5,8

Tribenztropylium - 15

Zur Berechnung der Regressionsgeraden von "pK" auf A ©. wurden nur die Werte¬

paare der Kationen I,n,IV, V, VI verwendet. Die "pK"-Werte der Kationen EI und Vu

können nicht mit jenen der andern Kationen verglichen werden, da in ihnen die Koplana-

rität durch sterische Wechselwirkungen zwischen den mit dem Siebenring kondensierten12)

Benzolkernen gestört ist (vgl. Fig. 22), wie es bereits M.Stiles & A. J.Libbey'

im Falle des Kations VII angenommen haben.

Die Gleichung der Regressionsgeraden, die nach der Methode der kleinsten

Quadrate berechnet wurde ', hat die Form (23).

"pK" = - 24,27 + 14,49 • A®. . (23)

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Fig. 22 Sterische Hinderung der Koplanarität von VII und Vila, gezeigt am Beispieldes Kations VII. Die Radien der dunkeln Bereiche entsprechen den Inter¬

ferenzradien, wie sie von E.A.Braude & E .S

. Waight^ö) verwendet

werden, die grösseren Kreise den normalen van der Waals - Radien.

Setzt man in diese Formel die A® , -Werte für die Kationen in und VII ein, so erge¬

ben sich die in Tab. 16 unter "pKV /23\ angeführten Werte. Die angegebenen Feh¬

lergrenzen wurden aus der Standardabweichung s =+ 0,28 der "pK"-Werte bezüglich

der Regressionsgeraden berechnet (mit t = 3,18 für 3 Freiheitsgrade und bezogen auf

eine Sicherheitsschwelle von 95%). Man sieht, dass die gemessenen "pK"-Werte deut¬

lich ausserhalb dieser Fehlergrenzen liegen und zwar im Vergleich zu den berechne¬

ten Werten um 2, 5 (für das Kation in) bzw. 4, 5 (für das Kation VII) "pK"-Einheiten

zu tief. Dies bedeutet dass diese Kationen relativ zu ihren konjugaten Pseudobasen eine

kleinere Stabilität aufweisen als erwartet. Diese Tatsache kann auf die bereits erwähnte

Störung der Koplanarität der Kationen in und VII zurückgeführt werden, wie am Bei¬

spiel der Verbindungen Vll/VUa näher diskutiert werden soll: Die Bindungsordnung

p der Bindungen 6-7 bzw. 12 - 13, d.h. der Bindungen, auf die sich eine sterische

Störung des Konjugationssystems vor allem auswirken wird, hat den Wert 0,379 für50)

die Pseudobase Vila ' und den Wert 0,446 für das Kation VII (vgl. Fig. 19). In letze-

rem ist infolgedessen der Verlust an Delokalisierungs-Energie durch eine Verdrehung

der betreffenden Bindung, d.h. durch die verminderte Koplanarität des Systems grös¬

ser als in der Pseudobase, so dass diese Energiedifferenz beim Uebergang von der

49) E.A

.Braude & E.S.Waight, Progress in Stereochemistry (W. Klyne, ed.)

Vol. I, S. 126, London 1954.

50) Dictionnaire des Grandeurs Théoriques Descriptives des Molécules (C.A.Coulson& R.Daudel, ed.), Band II, Paris.

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- 63 -

Pseudobase Vila zum Kation VII aufgewendet werden muss, um das Kation VII entge¬

gen den van der Waals -Wechselwirkungen der sich überschneidenden H-Atome mög¬

lichst flach zu halten. Die "pK"ber /23\-Werte der Tab. 16 zeigen, dass erwartungs-

gemäss für das Kation Vu die Abweichung des "pK"-Wertes vom theoretisch zu er¬

wartenden Wert ungefähr das Doppelte derjenigen für das Kation in beträgt.

In Fig. 23 ist die Korrelation zwischen "pK" und A® . graphisch dargestellt.

Der Radius der Kreise entspricht der Standardabweichung für die berechnete Regres¬

sionsgerade von s = + 0,28 "pK"-Einheiten.

..pK"t Qj

0.r)(2/

n)r

/(n/

-2.0y_s

('

A-4,0-

(5 ;.7 1,9 -~A%,

Fig. 23 Regression der "pK"-Werteder Kationen I bis VII auf den

entsprechenden optimalenAtomlokalisierungsenergien

Aopt.

Wie gut die lineare Korrelation (23) auch ausserhalb des hier betrachteten Be¬

reiches noch gilt, zeigt der Extremfall des Fluorenylium-Kations XXIV, für welches

folgende Werte gelten ("pK" berechnet aus pKR© nach (2), "pK"ber> /23%bestimmt

durch Einsetzen von A® . in (23)):

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- 64 -

exper. Grössen theor. Grössen

pKRe "pK" A®pt> "pK"ber.(23)-14,051) -6,9 1,16 -7,5(i0,9)

Die Streuung um die Regression (Standardabweichung) in Fig. 23 ist kleiner als man

eigentlich erwarten sollte, wenn man die Verschiedenheit der verwendeten Lösungsmittel,

die dadurch verursachte Unsicherheit in der Vergleichbarkeit der HQ-Werte, sowie

die Nicht-Berücksichtigung des statistischen Faktors in Betracht zieht. Letzterer ist

nur für die Kationen I, in, IV, Vu eindeutig definiert. Für das Kation I beträgt er,

entsprechend den 7 äquivalenten Stellen von I, die der formellen Addition einer OH -

Gruppe offenstehen, log 7 = 0, 85, für III entsprechend log 2 =0,30 und für die rest¬

lichen Kationen IV und VH log 1 =0,0. Der Effekt dieser statistischen Faktoren ist

der, dass in den Gleichgewichten in Fig. 2 die rechte Seite, d.h. die Bildung der

Pseudobase, bei gleicher Atomlokalisierungs-Energie entsprechend bevorzugt wird,

was sich dann in einem additiven Glied von der Grösse — log (stat. Faktor) auf den

"pK" auswirkt.

Im Gegensatz zu den obigen Kationen kann der statistische Faktor für die Ka¬

tionen H, V, VI nicht mit Sicherheit angegeben werden, da die effektiven Stabilitäts¬

unterschiede der jeweils stabilsten Pseudobasen (vgl. Tab. 14) aus den berechneten

Lokalisierungsenergien A® nicht zuverlässig abgeschätzt werden können. Als Hinweis

mag z.B. dienen, dass man bei der Neutralisation einer Lösung von n sowohl die

Pseudobase IIa(2) (statistischer Faktor log 2 = 0, 30) als auch die Pseudobase IIa(0)

(statistischer Faktor log 1 =0,0) erhält, wie sich durch Oxydation des Pseudobasen-

gemisches zu den beiden isomeren Verbindungen 2,3-Benztropon Hb(2,3) und 4,5-

Benztropon üb(4,5) beweisen lässt ' (vgl. Reaktionsschema (N)).

IIb (2.3)

o IIb (6,5)

(N)

Nimmt man an, dass sich IIa(2) und IIa(0) im Verhältnis 2 : 1 bilden (was identische

Atomlokalisierungs-Energien für die Bildung der beiden isomeren Pseudobasen vor¬

aussetzt, so käme ein statistischer Faktor von log 3 = 0,48 in Frage. Analoge Ver¬

hältnisse dürften beim Kation VI vorliegen.

51)N.C.Deno, J.J.Jaruzelski & A.Schriesheim, J.org.Chem. 19,155 (1954).

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In Anbetracht dieser Unsicherheit wurde auf eine Korrektur der "pK"-Werte um

den statistischen Faktor verzichtet, der somit in den Koeffizienten der Definitions¬

gleichung (23) und in der zugehörigen Streuung um diese Regression eingeschlossen

ist. Dieses Vorgehen ist deshalb gerechtfertigt, weil man es hier mit einer so gros¬

sen Spannweite an "pK"-Werten zu tun hat, dass auch grosse absolute Fehler in den

"pK"-Werten bei der direkten Korrelation derselben mit A®. nicht ins Gewicht

fallen.

4.1.2 Versuch einer Korrelation der "pK"-Werte mit der Zahl der unangeregten

Grenzstrukturen der Kationen und ihrer konjugaten Pseudobasen.

An dieser Stelle sei, im Anschluss an die in der Einleitung aufgeworfene Frage,

kurz diskutiert, ob die beobachtete Sequenz in den "pK"-Werten der Kationen nicht

doch mit einfachen Resonanzbetrachtungen im Einklang steht, indem man die relative

Stabilität der jeweils am Gleichgewicht beteiligten Partner durch Abzählen der unan¬

geregten Grenzstrukturen abschätzt. In der Tab. 17 sind für die Kationen I, II, IV, V,511

VI, sowie für das Fluorenylium-Kation' und für die stabilsten mit ihnen im Gleich¬

gewicht stehenden Pseudobasen die Anzahl zRbzw. z_ der unangeregten Grenzstruk¬

turen angegeben, die sich jeweils für diese Verbindungen schreiben lassen, sowie die

bereits in Tab. 16 angeführten experimentellen "pK"-Werte. Die Kationen HI und VII

wurden hier zunächst aus den gleichen Gründen vernachlässigt wie bei der Korrelation

der "pK"-Werte mit den A® . -Werten (vgl. Abschnitt 4.1.1). Je nach der Grösse der

beiden Zahlen z„ und zp sollten die Gleichgewichte in Fig. 2 mehr nach links, auf das

freie Kation zu, oder nach rechts, auf die Pseudobase zu, verschoben sein.

Tabelle 17 Versuch einer Korrelation der gemessenen "pK"-Werte mit der Zahl der

unangeregten Grenzstrukturen der Kationen und ihrer konjugaten Pseudo¬

basen

Kation Zahl der unangeregtenGrenzstrukturen "pK'

Kation

ZK

Pseudobase

ZP

exper. berechnet

nach (24)

I 7 1 + 4,7 + 4,0

n 14 2 + 1,7 + 1,9

IV 26 4 - 1,9 - 3,5

V 26 3 + 2,2 + 2,7

VI 23 3 + 0,3 + 0,9

Fluorenylium 22 4 -6,9 - 5,9

m 27 4 -2,9 - 3,0

vn 50 8 - 7,4 - 14,3

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Eine rein qualitative Schätzung stösst hier offensichtlich auf die Schwierigkeit,

dass die relativen Gewichten der Grenzstrukturen der Kationen und der Pseudobasen

nicht bekannt ist. Ein Ausweg besteht darin, dass man durch eine Ausgleichs¬

rechnung jene Parameter a, bK und bp berechnet, die einer möglichst guten Annähe¬

rung der gefundenen "pK"-Werte durch die Formel (24a) entsprechen.

"PK"ber.(24)=a + bKzK+bPzP <24a>

Der dieser Formel zugrundeliegende Gedankengang ist, dass die Stabilität jedes der

beiden Partner proportional den Zahlen z„ und zp der schreibbaren, unangeregten

Grenzstrukturen ist, und dass deshalb in Analogie zu den Betrachtungen, die weiter

oben betreffend die Atomlokalisierung-Energie A angestellt wurden, der "pK"-Wert

seinerseits der Differenz dieser mit verschiedenen Gewichten behafteten Zahlen z„

und Zp proportional sein sollte. Eine solche Rechnung führt zum Ausdruck (24), mittels

dessen sich die Grössen "pKV /24sder Tab. 17 erhalten lassen.

"pK"ber.(24) = +6,07 + 0,586zR-6,214 zp (24)

Es ist nun von Interesse, den so erhaltenen Zusammenhang darauf hin zu prüfen,

ob überhaupt eine lineare Korrelation im Sinne der Gleichung (24a) besteht, d.h. ob die Vor¬

aussetzung der Rechnung wirklich signifikant erfüllt ist. Auf den ersten Blick scheint

dies für die 6 "pK"-Wertepaare der Kationen I, II, IV, V, VI und XXTV in Anbetracht

der Einfachheit der verwendeten Annahmen der Fall zu sein. Die Varianzanalyse er¬

gibt eine Signifikanz des linearen Zusammenhangs an der 95%-Schwelle, d.h. dass

nur in weniger als 5% der Fälle eine mindestens gleich gute Parallelität erreicht wür¬

de, wenn für die Zahlen z„ und zp jeweils zufällig aus den entsprechenden Grundge¬

samtheiten gezogene Werte eingesetzt würden. Trotz dieser Signifikanz an der 95%-

Schwelle muss die in der Gleichung (24) ausgedrückte Korrelation dennoch als zufällig

bzw. irreführend bezeichnet werden, wie leicht einzusehen ist, wenn man mittels der

Zahlen zR und zp der Kationen III und Vu die entsprechenden "pK"b /24\berechnet

(vgl. Tab. 17). Es zeigt sich, dass zwar der "pK", /,4\für das Kation III fast ge¬

nau mit dem gemessenen Wert übereinstimmt, der Wert für das Kation VII aber viel

zu tief liegt. Diese Ergebnisse lassen sich auch nicht durch die vermutete sterische

Hinderung der Koplanarität der beiden Kationen erklären oder miteinander in Einklang

bringen.

Immerhin wird die Sequenz der "pK"-Werte mit Ausnahme des Wertes für das

Kation IV richtig wiedergegeben, was ja das Ziel dieser einfachen Resonanzbetrach¬

tung war. Auch hier dürfte allerdings diese Uebereinstimmung auf die grossen Diffe-

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- 67 -

renzen zwischen den "pK"-Werten und den grossen Bereich, über den diese verteilt

sind, zurückzuführen sein (vgl. Bemerkung im Abschnitt 1.3).

Im Gegensatz dazu ergibt die Beziehung (23) für die Kationen III und VII Ab¬

weichungen von den experimentell bestimmten Werten, wie sie auf Grund qualitativer

Betrachtungen zu erwarten sind und überdies eine hoch signifikante Uebereinstimmung

zwischen den aus der LCAO-MO-Theorie berechneten und den gemessenen "pK"-Wer-

ten.

4.2 UV-Absorptions-Spektren

4.2.1 Korrelation zwischen den Wellenzahlen und den Uebergangsenergien für die je¬

weils langwelligste Bande.

Zur theoretischen Deutung der Tropylium-Kationen-Spektren wurden die Ueber-o

gangsenergien A E ' und die Quadrate der Uebergangsintegrale Q verwendet, die in

der Tab. 15 zusammengestellt sind.

Zunächst sollen nur die langwelligsten Banden der einzelnen Spektren mit den

Uebergängen kleinster Uebergangsenergie identifiziert werden, wie dies bei der Dis¬

kussion von Spektren an Hand theoretischer Daten üblich ist '. Aus der Fig. 25 kann

jedoch sofort ersehen werden, dass beim Kation m der, relativ zu den andern lang¬

welligsten Banden, sehr intensiven Bande nicht der Uebergang kleinster Uebergangs¬

energie 12—11 zugeordnet werden darf, sondern der unmittelbar benachbarte Ueber-

2gang 3——11, dessen Q -Wert viel eher der grossen Intensität der Bande entspricht.

In der Tab. 18 sind die Werte AE' und v für die 7 Kationen miteinander ver¬

glichen. In Kolonne 4 sind die Proportionalitätsfaktoren ^ aufgeführt, die nach Formel

(25) berechnet wurden.

v

AE'

(25)

52) vgl. u.a.: E. Heilbrunner & M.Simonetta, Helv. 35, 1049 (1952).

W.Simon, G.Naville, H.Sulser & ETHeilbr onner, Helv.

39, 1107 (1956).

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- 68 -

Tabelle 18 Vergleich der experimentell bestimmten Wellenzahlen mit den theoreti¬

schen Uebergangsenergien für die langwelligsten Banden

Kation AE' <3 *

I 1,45137 36'500 25*150

H 0,89769 23'500 26'180

in 0,83812 21'900 26*130

IV 0,73587 19'70053) 26*770

V 0,89589 21'850 24'390

VI 0,61328 16'450 26*820

vn 0,69718 17'850 25*600

Es zeigt sich, dass die j -Werte für die Kationen II, in, IV, VI eine erstaun¬

liche Konstanz aufweisen, für die Kationen Vn, I, V (in dieser Reihenfolge) aber

deutlich kleinere Werte haben. Für die Kationen VU und I lässt sich diese Abweichung27)

auf Grund eines qualitativen Argumentes erklären . "Round field "-Spektren (wobei,27)

in Analogie zu den Kationen Vn und I, in der zitierten Arbeit ' als Beispiele Tri-

phenylen und Benzol erwähnt werden) haben die Eigenschaft, dass ihre Banden so¬

wohl bezüglich der Lage als auch bezüglich der Intensität grössere relative Differen¬

zen aufweisen sollten als theoretisch, auf Grund des hier verwendeten Modells, voraus¬

gesagt. Der zu kleine y -Wert der Kationen VII und I bedeutet, dass die langwelligste

Bande langwelliger liegt als erwartet was in Uebereinstimmung mit der oben zitier¬

ten empirischen Aussage steht. Der noch kleinere Y -Wert des Kations V lässt sich

allerdings kaum so erklären. Zusammen mit der relativ zur Voraussage viel zu klei¬

nen Intensität der langwelligsten Bande kommt man zum Schluss, dass diese Bande

nicht dem Uebergang kleinster Uebergangsenergie zugeordnet werden sollte (vgl. auch

die Lage des entsprechenden Punktes in Fig. 24).

In Fig. 24 ist die Korrelation zwischen v und A E' graphisch dargestellt. Die

Regressionsgerade von v auf A E ' für die Wertepaare der 7 Kationen wurde nach der45)

Methode der kleinsten Quadrate ' berechnet und hat die Form (26).

=3= 2*260+ 23*820 • AE' (26)

Der Radius der Kreise entspricht der Standardabweichung s = + 660 cm" der Wellen¬

zahlen bezüglich der Regressionsgeraden.

53) Als "langwelligstes" Absorptionsmaximum wurde hier das dem Bandenschwerpunktnäher liegende bei 19'700 cm"l angenommen, während in Tab. 19 zwischen den

Wellenzahlen der beiden Maxima gemittelt wurde.

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- 69 -

Fig. 24 Regression der Wellenzahlen v

der langwelligsten Banden der

Kationen I bis Vu auf den ent¬

sprechenden Uebergangs-energien AE\

Diese Regressionsgerade sollte wegen der direkten Proportionalität zwischen

AE' und V durch den Punkt ( v = 0, AE' = 0) gehen. Berechnet man nun eine Re¬

gression mit der Forderung, diese müsse durch den Nullpunkt gehen, so erhält man

eine Steigung y = 25'570 und eine Standardabweichung der Steigung Sv, = i 900.

4. 2.2 Korrelation zwischen den Wellenzahlen und den Uebergangsenergien für alle

Banden.

Zur Korrelation der einzelnen Banden der Kationen-Spektren wird so vorge¬

gangen, dass man für die einzelnen Kationen die Darstellungen der Fig. 25 und 26

qualitativ miteinander vergleicht. Der Ausdruck "Bande" soll immer auf die experi¬

mentell bestimmten Grössen der Fig. 26 angewendet werden, der Ausdruck "Ueber-

gang" nur auf die theoretischen Werte der Fig. 25. Durch die Bezeichnung der Banden

mit eingeklammerten Ziffern (analog denen der Kolonne 1 in der Tab. 15) sollen diese

den entsprechenden Uebergängen zugeordnet werden. Die einander zugeordneten Werte

v und AE' und die aus ihnen nach (25) berechneten -fl-Werte sind in Tab. 19 zusam¬

mengestellt.

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- 70 -

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Fig. 25 Die UV-Spektren der Kationen I bis Vu, wie sie auf Grund der LCAO-MO-Daten zu erwarten wären, in schematischer Darstellung (vgl. Abschnitt 3.8).Die Bezeichnung der Zustände durch Buchstaben entspricht der Nomenklatur

nach J. R .P1 att 24)un(j wird in Abschnitt 4.2.4 diskutiert.

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71 -

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26 Die UV-Spektren der Kationen I bis VII (Fig. 4 bis 10) in stark schematisier¬

ter Darstellung (vgl. Abschnitt 2.8). Die eingeklammerten Ziffern entsprechender Bezeichnung in Kolonne 1 der Tabelle 15 und drücken die in Abschnitt4.2.2

diskutierte qualitative Zuordnung aus.

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- 72 -

I Tropylium-Kation

Bei Uebergängen zwischen entarteten Niveaus tritt durch Elektronen-Wechselwirkungen27)

eine Aufspaltung der ursprünglich entarteten Zustände ein '. Im Fall des Kations list

es nun interessant zu beobachten, dass die langwelligste Bande nur wenig längerwellig

liegt als aus der Theorie (ohne Berücksichtigung der Elektronen-Wechselwirkungen) zu

erwarten ist. Im Gegensatz dazu liegt die entsprechende Bande bei Benzol ca. 10*000

cm relativ zur berechneten Grösse zu langwellig.

n Benztropylium-Kation

Die Banden dieses Spektrums lassen sich hier eindeutig den Uebergängen zuordnen.

Die Bande (2——3) hat zwar eine zu kleine Intensität und die Bande (9——8) eher eine

zu grosse bezüglich der berechneten Werte, aber die relative Intensitätsänderung von2

Bande zu Bande stimmt qualitativ mit der Aenderung des Q -Wertes von Uebergang zu

Uebergang überein. Die Uebergänge 10——3 und 1——3 werden von den intensiveren

Uebergängen verdeckt, wobei der erstere möglicherweise zur überhöhten Intensität der

Bande (9——8) beiträgt, so wie es in Fig. 26 angedeutet ist.

ni l,2;3,4-Dibenztropylium-Kation

Bereits bei der Korrelation der Lage der langwelligsten Banden mit den theoretischen

Grössen wurde festgestellt, dass diejenige des Kations III dem Uebergang 3——11 zu¬

geordnet werden müsse, wobei der verdeckte Uebergang 12——11 zur Intensität der

Bande beiträgt. Die anderen drei Banden lassen sich zwangslos den Uebergängen

13——11, 12——4 und 3——4 zuordnen, lediglich die Bande (13——11) liegt um einen

erheblichen Betrag zu kurzwellig. Die Uebergänge kleiner Intensität 2—»-11 und 1——11

werden von den 3 starken Banden verdeckt, der Uebergang 2——11 trägt dabei zur In¬

tensität der Bande (13——11) bei. Dass die Intensität der Bande (3-—4) grösser ist als2

jene der Bande (12——4), während die Q -Werte sich umgekehrt verhalten, wird teil¬

weise durch die Formel (4) erklärt, die aussagt, dass die Intensität nicht nur linear2

mit Q wächst, sondern auch linear mit v zunimmt.

IV 1,2; 4,5-Dibenztropylium-Kation

Unter der (wohl berechtigten) Annahme, dass die Doppelmaxima der beiden Banden

des langwelligen Teils des Spektrums als Feinstruktur zu deuten sind, kann bei diesem

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- 73 -

Spektrum die Zuordnung der Banden eindeutig vorgenommen werden, sowohl bezüglich

ihrer Intensität als auch bezüglich ihrer relativen Lage. Die Y -Werte (vgl. Tab. 19)

zeigen allerdings, dass die Banden (13—**4) und (3—»11) etwas zu kurzwellig liegen.

V (1 ', 2'-Naphto-)tropylium-Kation

Es wurde bereits festgestellt, dass die langwelligste Bande weder nach Intensität noch

nach NVellenzahl mit der theoretischen Voraussage übereinstimmt. Das Gleiche gilt

auch für die andern Banden. Dieses Versagen des Modells, das unserer Rechnung zu¬

grundeliegt, erstaunt umso mehr, als es sich bei der Deutung der ungewöhnlichen Ba-

sizitätsverhältnisse des Kations V (basischer als Benztropylium-Kation.') so glänzend

bewährte. Eine mögliche Erklärung liegt darin, dass das in der vorliegenden Arbeit

zur Berechnung der theoretischen Grössen verwendete Modell nicht berücksichtigt,

dass im Kation V wahrscheinlich die Bindung 10 - 11 im Sinne der Formel XXV stark

lokalisiert ist, wobei die AE'-Werte auf diese Störung des Konjugationssystems kri¬

tischer zur reagieren scheinen als die A®. -Werte.

VI (2', 3'-Naphto-)tropylium-Kation

Die langwelligste Bande kann ohne Schwierigkeiten dem Uebergang kleinster Ueber-

2gangsenergie zugeordnet werden. Weiterhin muss man unter Berücksichtigung der Q -

Werte den beiden intensiven Banden die Uebergänge 3—*-4 und 12—»-11 zuordnen, ob¬

wohl sich daraus für die Bande (3——4) ein viel zu grosser ^ -Wert ergibt, d.h. dass

die längerwellige der beiden intensiven Banden viel zu kurzwellig liegt. Den beiden

niedrigeren Banden müssen dann die Uebergänge 13—»-4 und 14—*-4 zugeordnet wer¬

den, obwohl dies ein "crossing" der berechneten Uebergangsenergien verlangt.

Vu Tribenztropylium-Kation

Ein Vergleich zwischen dem Spektrum und der theoretischen Voraussage für dieses

Kation zeigt vor allem, dass jedenfalls die Intensitätsverhältnisse durch das berech¬

nete Modell völlig ungenügend vorausgesagt werden. Trotzdem wurde, unter Vernach¬

lässigung der Banden oberhalb 30'000 cm",eine Zuordnung der langwelligsten drei

Banden vorgenommen, welche sowohl bezüglich ihrer Lage wie auch bezüglich ihrer

relativen Intensität mit der Theorie übereinstimmen.

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0,8876616—5

0,7711115—5

0,69717

4—5

1,1696212—11

1,2177014—4

1,006873—4

1,0214413—4

0,61328

12—4

0,89589(6)—(7)

1,146443—11

1,0629113—4

0,9664612—4

0,73587

3—4

1,432233—4

1,3949712—4

1,0908413——11

0,83812

3—11

1,540972—8

1,312379—8

1,136292—3

0,89769

9—3

Konjugationssystem.gestreckteseinwesentlichenim

aberhatVII,undinKationendenzuUebergangdenbildetIVKationDasUebergänge.

polarisiertequerschwache,zweidanebenundpolarisierteAchselängstenzurparallel

intensive,2deutlichzeigenaufweisen,-Elektronen-Systemirgestrecktesgesprochen

aus¬eindieVI,undIIKationenDie25).Fig.(vgl.verfolgenUebergängederIntensität

dieAuswirkungaufihrerinschönsehrsichlassenPolarisationsrichtungenDie

können.werdengebrachtUebereinstimmunginVoraussagentheoretischenden

mitvernünftigTropylium-KationenderSpektrendieVIIundVIKationenderBanden

einigerundVKationsdesAusnahmemitdasswerden,gesagtkannGesamthaft

27'49024'400

25*94020-000

25*60017*8500,697174—5

Vu

28'43033*250

26'48032'250

29*99030*200

24*67025*200

26*82016*4500,6132812—4

VI

24*390]21'8500,89589[(6)—(7)V

28*48032-650

28*41030'200

26'70025*800

25*96019'1000,735873—4

IV

24*86035'600

24'05033*550

28*92031'550

26'13021*9000,838123—11

III

27*77042*800

27*05035*500

26'05029'600

26'18023'5000,897699—3

n

25'15036'5001,451371/6—2/5I

y'vAE'UebergangKation

BandenallefürUebergangsenergienschen

den-theoreti-mitWellenzahlenbestimmtenexperimentellderVergleich19Tabelle

-74-

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75

Fig. 27 Regression der Wellenzahlen v auf den entsprechenden UebergangsenergienA E' für 21 Banden der Spektren der Kationen I bis VII (vgl. Fig. 4 bis 10).

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- 76 -

Die Regressionsgerade von n> auf AE' wurde nach der Methode der kleinsten

Quadrate berechnet45' (für die 21 in Tab. 19 einander zugeordneten Werte) und hat

die Form (27).

v = + 960 + 25*800 • AE' (27)

Da die Gerade praktisch durch den Punkt ( v =0, uE' = 0) geht, wurde eine weitere

Regressionsgerade berechnet, die den Nullpunkt enthält. Sie hat die Steigung ^ = 26'650

und liefert eine Standardabweichung der f -Werte um die Regression von s „= ± 1500.

In Fig. 27 sind die Wertepaare der Tab. 19 und die Regression (27) graphisch

dargestellt. Die Punkte für die langwelligsten Banden der Kationen I bis VII sind spe¬

ziell bezeichnet, wobei allerdings das Wertepaar für das Kation V zur Berechnung der

Regression nicht verwendet wurde. Die gestrichelten Linien weichen von der Regres¬

sionsgeraden um den Betrag der Standardabweichung der •% -Werte s„ -

+ 1500 ab.

4.2.3 Korrelation der experimentell bestimmten mit den berechneten theoretischen

Oszillatorenstärken.

Die auf Grund der Fig. 25 und 26 durchgeführte qualitative Diskussion der Inten-

sitätsverhältnisse in den Spektren soll nun durch eine Korrelation der experimentell

bestimmten und der theoretisch berechneten Oszillatorenstärken f ergänzt werden.

Zur Bestimmung der experimentellen Werte f wurde die durch Formel (5) aus¬

gedrückte Integration durch Ausschneiden und Auswägen der Banden durchgeführt. Dieo

theoretischen Werte f., wurden nach Formel (4) aus den Q -Werten der Tab. 15 be¬

rechnet.

In der Tab. 20 sind für die einander zugeordneten Uebergängebzw. Banden die

2Q -Werte bzw. die Wellenzahlen angegeben. Aus diesen wurden die L. -Werte be¬

rechnet und mit den f -Werten verglichen, indem man für jede Bande den Faktor

exoexp.

k =

ff' bildet. In Fig. 28 sind die Punkte für die Wertepaare (L, ,

f ) gra¬

phisch 'dargestellt.

54) Für die hier verwendeten f exp. -Werten wurde der Faktor 4, 32 in Formel (5)vernachlässigt, da die Integration ohnehin nicht genau ausgeführt werden konnte.

Der in Tab. 20 und Fig. 28 ausgeführten Vergleich ist also nur qualitativ und wur¬

de nur der Vollständigkeit halber ausgeführt.

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- 77 -

Tabelle 20 Vergleich zwischen den experimentell bestimmten und den theoretischen

Oszillatorenstärken

Uebergang Q2 <5 fexp. fth. k

1/6—2/5 0,65 36*500 0,062 0,26 0,238

9—3 0,58 23*500 0,031 0,15 0,207

2—3 1,23 29*600 0,033 0,39 0,085

9—8 1,44

(+10—3)

35*500 0,521 0,55 0,947*

2—8 0,57 42'800 —

3—11 1,86

(+12—11)

21*900 0,158 0,44 0,359

13—11 0,84

(+ 2—11)

31*550 0,140 0,29 0,483

12—4 1,22 33*550 0,248 0,44 0,564

3—4 0,93 35*600 0,337 0,36 0,936*

3—4 0,73 19*100 0,050 0,15 0,333

12—4 1,10 25*800 0,105 0,31 0,339

13—4 0,79 30*200 0,086 0,26 0,331

3—-11 1,90 32*650 0,866 0,67 1,293*

V

12—4 0,60 16'450 0,029 0,11 0,264

13—4 0,18 25*200 0,043 0,05 0,860*

3—4 1,65 30*200 0,261 0,54 0,483

14—4

12—11

0,08

1,72

32'250 1

33*250 J0,276 0,65 0,425

4—5 1,00 17*850 0,018 0,19 0,095

15—5 0,43 20*000 0,013 0,09 0,144

16—5 1,37 24'400 0,090 0,36 0,250

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45)Die aus den 19 Wertepaaren nach der Methode der kleinsten Quadrate ' be¬

rechnete Regressionsgerade von f auf f., hat die Form (28).6XjJ* Lfl«

W =-0,H8 +

0,90.fth_ (28)

Sie wurde ebenfalls in der Fig. 28 graphisch dargestellt (Strich-Punkt - Linie). Eine

Streuungszerlegung ergibt eine gute Korrelation (signifikant an der 99,9%-Schwelle),

überraschend gut, wenn man bedenkt, dass dem Modell, das zur Berechnung der L. -

Werte verwendet wurde, sehr stark vereinfachende Annahmen zur Grunde liegen,

die sich auf f., stärker auswirken müssen als auf AE\tn.

Vernachlässigt man die vier Wertepaare (leere Kreise in Fig. 28, besternte

Werte in Tab. 20), für die der Faktor k grösser ist als 0,6 (-—^' > 0,6)und be-*th.

rechnet wiederum die Regressionsgerade, so besitzt diese bei einer etwas besseren

Signifikanz die Form (29). Drei der vier Wertepaare mit extrem hohem k-Wert ge¬

hören zu den drei intensivsten Banden der Kationen-Spektren, für die anscheinend

die Linearität der Beziehung (4) nicht mehr gilt, das vierte Wertepaar gehört zur

Bande (13—»4) des Kations VI, die auch bezüglich >5 -Wert nur mit Vorbehalt zuge¬

ordnet wurde (vgl. y -Wert in Tab. 19).

fexp =-0,0084 + 0,396 • fth# (29)

Diese verbesserte Regressionsgerade geht praktisch durch den Nullpunkt und kann des¬

halb durch die Gerade der Formel (30) ersetzt werden.

fexp. =(°'376- 0,1)'fth. <30>

Die Standardabweichung der k-Werte sk = + 0,1 wurde aus den 15 nicht besternten

k-Werten der Tab. 20 berechnet und mit gestrichelten Linien in Fig. 28 dargestellt.

4.2.4 Bezeichnung der angeregten Zustände.

In Fig. 25 wurden nach der im Abschnitt 1.4 kurz erläuterten Nomenklatur auf

Grund folgender Ueberlegungen die B- und L-Zustände bestimmten Uebergängen zuge¬

ordnet:

1. Die B- und L-Zustände entsprechen Uebergängen zwischen den zwei obersten be¬

setzten Niveaus.

2. Die L-Zustände entsprechen immer Uebergängen kleinerer Uebergangsenergie als

die B-Zustände '.

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0.4-

0,3-

0,2-

0.1-

0.1 0.2 0.3 0,4 0.5 0.6 î(0,866)

/

/

/ •

y.

s"'

•^

"/

/ .

Fig. 28 Korrelation der experimentell bestimmten mit den theoretischen Oszillato¬

renstärken für 19 Wertepaare

3. Die Polarisationsrichtung der a- bzw. b-Zustände wurde an Hand des Polarisations-

diagrammes (nach J. R . Platt ') bestimmt, wobei folgende Analogien im Pola¬

risationsdiagramm zwischen Kationen und Kohlenwasserstoffen benützt werden:

Kation II - Naphtalin, Kation III - Phenantren, Kation IV und Kation VI - Anthracen,

Kation VII - Triphenylen.

Auf Grund der obigen Kriterien konnten gewisse Uebergänge entsprechend der Nomen¬

klatur nach J.R.Platt 'eindeutig benannt und in Fig. 25 so bezeichnet werden.

Eine Entscheidung, ob die langwelligste Bande des Tropylium-Kations I dem L - oder

dem L.-Zustand entspricht, konnte nicht getroffen werden. Da das bei den Kohlenwas¬

serstoffen beim Uebergang von Naphtalin zum Anthracen auftretende "crossing" zwischen

den L - und den Lh-Zuständen' bei den analogen Kationen fehlt, steht nicht fest, ob es

hier beim Uebergang vom Kation I zum Kation II auftritt oder ganz fehlt.

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- 80 -

4.3 IR-Banden der Tropone

Für die benzologen Tropone kann ganz allgemein die Mesomerie (B) formuliert

werden (vgl. Abschnitt 1.2).

(B)

e lb'

Das Gewicht, das der Grenzstruktur Ib' innerhalb dieser Mesomerie zukommt, drückt

sich in der Polarisierung der C=0 - Bindung aus. Ein Mass für die Polarisierung die¬

ser Bindung ist die Frequenz der betreffenden Schwingungsbande im IR-Spektrum. An¬

drerseits darf angenommen werden, dass das Gewicht der Grenzstruktur Ib' der Stabi¬

lität des Konjugationssystems, wie es in den entsprechenden Kationen vorliegt, unge¬

fähr proportional ist. Diese Stabilität geht ihrerseits dem "pK"-vVert der Kationen

parallel, wie es im Abschnitt 4.2 diskutiert wurde.

Es wäre nun interessant, auf Grund der Werte der Tab. 2 und 3 zu untersuchen,

ob eine Korrelation zwischen dem "pK"-Wert des Kations und der Frequenz der C=0-

Bande des entsprechenden Tropons besteht.

Leider musste auf eine solche Diskussion aus folgenden Gründen verzichtet wer¬

den:

1. Ausser bei den Troponen IVb und Vllb werden bei allen Troponen im Carbonylge-

biet des IR-Spektrums zwei Banden angegeben. Beim 4,5-Benztropon konnte auch

auf Grund einer ganzen Reihe von Derivaten nicht sicher entschieden werden, wel-33)

che der beiden Banden diejenige der C=0 - Schwingung sei '. Auch bei den andern

Troponen kann darüber keine eindeutige Entscheidung getroffen werden.

2. Falls eine Resonanzabstossung zwischen C=C - und C=0 - Schwingung wirksam

wäre, was bei der starken Kopplung der beiden Schwingungen durchaus möglich

ist, wäre eine Korrelation, wie sie oben angedeutet wurde, insofern gegenstands¬

los, als dann die beobachteten Frequenzen kein einfaches Mass für die Polarisie¬

rung der C=0 - Bindung mehr darstellen.

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- 81 -

5. PRAEPARATIVER TEIL

Die UV-Spektren wurden mit einem selbstregistrierenden Spektrophotometer

Modell Beckman DK 1 aufgenommen, die IR-Spektren auf einem Perkin-Elmer-Spek-

trographen (Mod. 21).

Die Schmelzpunkte wurden unter dem Schmelzpunkts-Mikroskop nach Kofier

bestimmt und sind nicht korrigiert.

Die Analysen wurden in der mikroanalytischen Abteilung der hiesigen Labora¬

torien (Leitung Herr W. Manser) ausgeführt.

5.1 Darstellung des (2 ', 3'-Naphto-) 4,5-tr opons VIb

5.1.1 2, 7-Dicarbäthoxy-(2', 3'-Naphto-)4,5-tropon XX.

6,0 gNaphtalindialdehyd-(2,3) XVIII55' wurden in 50 ml Methanol gelöst, 7,2 g

Acetondicarbonsäure-diäthylester XIX (10% Ueberschuss) und 20 Tropfen Piperidin

zugefügt und das Reaktionsgemisch bei Zimmertemperatur im Erlenmeyer mit Mag-

netrührer 4 Std. gerührt. Der sich bildende Niederschlag wurde abgenutscht und am

Wasserstrahlvakuum getrocknet: 8,0 g Rohausbeute.

1 g des Rohproduktes wurde in Benzol gelöst und an 30 g Alox (Akt. I) mit Ben¬

zol chromatographiert. Aus der gelblichen benzolischen Lösung kristallisierten schöne,

gelbe, klare Kristalle aus:

2, 7-Dicarbäthoxy-(2', 3'-Naphto-)4, 5-tropon XX C21Hlg05Smp. = 168°.

Die Kristalle lösen sich in 60% Schwefelsäure mit orange-roter Farbe.

UV-Spektrum \„„ 270 306 354 478r

max.

(in 60% Schwefelsäure) log £max 4,28 4,10 4,90 4,00

Analyse des analog hergestellten 2, 7-Dicarbomethoxy-

(2*,3'-Naphto-)4,5-tropon XXVI CigH1405 Smp. = 215°:

ber. C 70,80% H 4,35%

gef. C 70,77% H 4,45%

55) W.Ried & H.Bode m

,Ber. 89, 708 (1956).

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5.1.2 2-Carboxy-(2',3'-Naphto-)4,5-tropon XXI.

2,0g 2,7-Dicarbäthoxy-(2',3,-Naphto-)4,5-tropon (Rohprodukt) wurden mit 50ml

5% methanolischer Kalilauge 30 min. unter Rückfluss verseift, die Lösung abfiltriert

und das Ungelöste nochmals glei.ch behandelt. Die vereinigten methanolischen Lösungen

wurden mit Eis versetzt und mit 2n Salzsäure neutralisiert, wobei ein zitronengelber

flockiger Niederschlag ausfiel. Dieser wurde abfiltriert und 2 mal aus Alkohol umkri¬

stallisiert:

2-Carboxy-(2*,3'-Naphto-)4,5-tropon XXI C16H10O3

Smp. = 250° (Lit. 39*: 252° - 255°).

Analyse: ber. C 76,79% H 4,03%

gef. C 76,99% H 4,27%

5.1.3 (2% 3'-Naphto-)4, 5-tropon VIb.

5,0g 2,7-Dicarbäthoxy-(2',3'-Naphto-)4,5-tropon (Rohprodukt) wurden 6 mal

mit je 100 ml 5% methanolischer Kalilauge während 4 Std. am Rückfluss gekocht, wo¬

bei jeweils die methanolische Lösung abdekantiert wurde. Die vereinigten basischen

Lösungen wurden mit Wasser versetzt und mit Aether ausgeschüttelt. Aus der ver¬

bleibenden basischen Lösung konnte die Monosäure XXI neben höher schmelzenden

orange-roten Kristallen, die nicht näher untersucht wurden, gewonnen werden.

Die ätherische Lösung wurde eingedampft. Es verblieb 0,5 g Neutralteil. Eine

Probe davon löste sich in konz. Schwefelsäure mit roter Farbe.

Zur weiteren Reinigung der Verbindung wurde die benzolische Lösung an 15 g

Alox (Akt. I) chromatographiert, wobei zur Eluierung viel Benzol benötigt wurde. Nach

dem Eindampfen erhielt man ein kristallines Produkt, das nach Sublimation am Hoch¬

vakuum bei 180° (Schwach gelbe Kristalle) einen Schmelzpunkt Smp. = 216° zeigt:

(2*,3'-Naphto-)4, 5-tropon VIb C15H10O

Analyse: ber. C 87,35 % H 4,89%

gef. C 87,06 % H 4, 84 %

UV-Spektren:

(in konz. Schwefelsäure)

(in Feinsprit) vgl. Fig. 12

IR-Spektrum: vgl. Fig. 30

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Das Naphtotropon VIb kann auch aus der Monosäure durch wiederholtes Kochen mit

methanolischer Kalilauge gewonnen werden. Die Eluierung des Naphtotropons wird

durch ein wenig Aether (Benzol: Aether 10 : 1) beschleunigt, doch ist das nur mit

Benzol eluierte Produkt reiner.

5.2 Darstellung des (2 ', 3 '-Napht o-) tr opy lium - Kations VI

5.2.1 (2*, 3*-Naphto-)4,5-tropol Via.

100 mg Naphtotropon VIb wurden in 10 ml Tetrahydrofuran gelöst, in einem mit

einem Calciumchlorid-Rohr versehenen 10 ml - Erlenmeyer mit 20 ml Aether abs.

verdünnt und das Reaktionsgefäss in einem Becherglas mit Eis gekühlt. Darauf wurden

100 mg Lithium-Aluminium-Hydrid fein pulverisiert beigegeben und unter Rühren (mit

Magnetrührer) 4 Std. reagieren gelassen. Mit feuchtem Aether wurde das überschüssige

Lithium-Aluminium-Hydrid zerstört, darauf der flockige Niederschlag abfiltriert und

mit Aether ausgezogen. Die vereinigten Aetherlösungen wurden mit Wasser neutral ge¬

waschen.

Unterschichtet man die Aetherlösung des Reduktionsproduktes mit konz. Schwefel¬

säure so färbt sich diese sofort tiefblau. Die gleiche Färbung tritt ein bei Unterschich¬

tung mit konz. Perchlorsäure. Die oben beschriebene Reduktion wurde mehrere Male

durchgeführt, doch konnte nur in einem Fall das Naphtotropol Via in Form grober gel¬

ber Kristalle aus Aether/Petrolaether auskristallisiert werden. Durch Sublimation wur¬

den reinweisse Kristalle (mikroskopische Nädelchen) erhalten, die einen scharfen

Schmelzpunkt Smp. = 181° zeigen:

(2', 3'-Naphto-)4, 5-tropol Via C15HnO.

Die gewonnene Menge genügte für die Aufnahme eines UV-Spektrums in 70% Schwefel¬

säure (vgl. Fig. 9) und zur Bestimmung des "pK"-Wertes (vgl. Abschnitt 2.6), leider

aber nicht zur Ausführung einer Analyse. Zur Aufnahme des Spektrums wurde das

Naphtotropol Via zuerst in Aether gelöst, da sich die Kristalle im direkten Kontakt

mit konz. Schwefelsäure schwärzlich verfärben. Der Aether wurde, nachdem er mit

70% Schwefelsäure versetzt worden war, abgedampft.

5.2.2 2-Methyl- und 2, 7-Dimethyl-(2', 3*-Naphto-)4,5-tropol XXVIIa u. XXVÜIa.

Da von den zur Aufnahme des (2',3'-Naphto-)tropylium-Spektrums verwendeten

Kristallen von (2',3'-Naphto-)4, 5-tropol keine Analyse erhalten wurde, wurden zum

Vergleich mit obigem Spektrum jene der leichter zugänglichen Methylderivate 2-Me¬

thyl- und 2,7-Dimethyl-(2',3'-Naphto-)tropylium-Kationen herbeigezogen (vgl. Reak¬

tionsschema (O)).

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XXVII ÏCHs> XXVIIa ('CH3>

(XXVIII) (XXVIIIa)

2, 7-Dimethyl-(2', 3'-Naphto-)4,5-tropol XXVHIa.

Zur Lösung von 3,6 g Naphtalindialdehyd XVin und 1,8 g Diäthylketon in 10 ml Me¬

thanol wurden 8 ml 2n methanolische Natronlauge zugetropft. Das Reaktionsgemisch

wurde während 3 Tagen bei Zimmertemperatur gerührt und dann der gelbliche Nieder¬

schlag abfiltriert. Nach zweimaliger Sublimation zeigen die leicht gelblichen Kristalle

einen Schmelzpunkt Smp. = 193°:

2, 7-Dimethyl-(2', 3'-Naphto-)4, 5-tropon XXVnib C1?H140

Analyse: ber. C 87,15% H 6,02%

gef. C 87,18% H 6,17%

Mit Lithium-Aluminium-Hydrid wurde reduziert und wie oben aufgearbeitet. Nach Ab¬

dampfen des Aethers wurde ein weisses kristallines Produkt erhalten:

2,7-Dimethyl-(2*, 3'-Naphto-)4,5-tropol XXVHIa.

2-Methyl-(2*, 3'-Naphto-)4,5-tropol XXVIIa.

Zu einer Lösung von 3,6 g Naphtalindialdehyd XVIII und 1,6 g Methyläthyl-keton in 50 ml

Methanol wurden 4 ml 2n methanolische Natronlauge zugegeben, worauf das Reaktions¬

gemisch während 4 min. am Rückfluss gekocht und über Nacht stehen gelassen wurde.

Der Niederschlag wurde abfiltriert und das Produkt durch Chromatographie mit Benzol

an Alox (Akt. I) gereinigt. Nach der Sublimation zeigt das reine Produkt einen Schmelz¬

punkt Smp. = 211°:

2-Methyl-(2',3'-Naphto-)4,5-tropon XXVIIb C16H120

Analyse: ber. C 87,25% H 5,49%

gef. C 87,11% H 5,57%

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Wie oben wurde mit Lithium-Aluminium-Hydrid reduziert, wobei wiederum ein weisses

kristallines Produkt erhalten wurde:

2-Methyl-(2*, 3*-Naphto-)4, 5-tropol XXVIIa.

Die Spektren der 3 Naphtotropole in Schwefelsäure werden in Fig. 29 miteinander ver¬

glichen und stützen zusammen mit dem eindeutigen Verlauf der Reduktion mittels Li¬

thium-Aluminium-Hydrid an Troponen die Behauptung genügend, dass es sich bei den

bei 181 schmelzenden Kristallen wirklich um Naphtotropol Via handelt.

Fig. 29 UV-Spektren des (2', 3'-Naphto-)tropylium-Kations (M = 0) und zweier

Derivate: des 2-Methyl-(2', 3'-Naphto-)tropylium-Kations XXVII (M = 1)und des 2, 7-Dimethyl-(2 ', 3 '-Naphto-) tropylium-Kations XXVIII (M = 2).

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5.3 Darestellung des 1,2 ; 3

,4-Dibenztr opy Hum - Kations IV

Nach Angaben von J. W. C o o k, J.Jack & J.D.Loudon ' wurde das

2,3;4,5-Dibenztropon-(l) Illb hergestellt, welches einen Schmelzpunkt Smp. =83° -

85° zeigt.

UV-Spektren:

(in konz. Schwefelsäure)

(in Feinsprit)

Analyse (C15H1Q0): ber. C 87,35% H 4,89%

gef. C 87,21% H 4,71%

IR-Spektrum: vgl. Fig. 31

Eine Lösung von 100 mg Dibenztropon Illb in 10 ml abs. Aether wurde zu einer Sus¬

pension von 100 mg Lithium-Aluminium-Hydrid in 10 ml abs. Aether zugetropft. Nach¬

dem das Reaktionsgemisch 2V2 Std. bei 0°C gerührt worden war, wurde es in der für

(2',3'-Naphto-)4,5-tropol beschriebenen Weise aufgearbeitet. Nach der Reinigung durch

Chromatographie mit Aether-Benzol an Alox (Akt. I) kristallisierte nach Abdampfen

des Lösungsmittels das anfänglich ölige Produkt bei -20 C aus. Durch Umkristallisie¬

ren aus Pentan bei -20 C konnten weisse Kristalle mit einem Schmelzpunkt

Smp. =87 - 89 gewonnen werden:

2,3;4,5-Dibenztropol-(l) IHa C15H120

Analyse: ber. C 86,51 % H 5,81 %

gef. C 86,57% H 5,70%

UV-Spektrum:

(in konz. Schwefelsäure): vgl. Fig. 6.

vgl. Fig. 11.

IR-Spektrum: vgl. Fig. 32

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8 9 10 12 14 u

3000 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 cm-1

Fig. 30 IR-Spektrum des (2*,3'-Naphto-)4,5-tropons VIb in KBr

3000 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 cm"!

Fig. 31 IR-Spektrum des 2,3; 4,5-Dibenztropons mb in KBr

9 10 12 14 u

3000 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 cm-1

Fig. 32 IR-Spektrum des 2,3; 4,5-Dibenztropols Ilia in Nujol

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Meinem Kameraden Hansruedi Strauss danke ich herzlich für seine Hilfe bei den

präparativen Arbeiten.

Herrn W. Manser danke ich für die Ausführung der Elementaranalysen und

Fräulein V. Klopfstein für die Aufnahme der IR-Spektren.

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Lebenslauf

Ich wurde am 30. Januar 1932 in Affoltern a/A. geboren. Dort besuchte ich die

Primarschule und anschliessend in Zürich das Kantonale Gymnasium, das ich im

Herbst 1950 mit der Maturität Typus B abschloss.

An der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich absolvierte ich

das Studium an der Abt. X und erhielt im Herbst 1955 das Diplom als Naturwissen¬

schafter. Seither arbeite ich am organisch-chemischen Laboratorium von Herrn

Prof. Dr. L.Ruzicka und Herrn Prof. Dr. V.Prelog an der Eidgenössischen

Technischen Hochschule, wo ich unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. E .Heil-

bronner unter anderem die vorliegende Promotionsarbeit ausführte.

Zürich, im November 1959 Gustave Naville